一个质点 P 在距离定点 O 处 3 m 的位移处开始沿直线运动,初始速度为 8 m/s。质点在运动 tt 秒后的速度 vv m/s 由 v=5cos⁡t+2sin⁡t+cv = 5\cos t + 2\sin t + c 给出。

  1. (a)

    求 cc 的值。

  2. (b)

    求质点的初始加速度。

  3. (c)

    通过写出相关的计算步骤并进行解释,证明质点在第 3 秒内改变了其运动方向。

  4. (d)

    求 t=6t = 6 时 P 离 O 的位移。

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完整解法

6(a)

1. Substitute the initial conditions into the velocity equation

At t=0t = 0, v=8v = 8.
8=5cos⁡(0)+2sin⁡(0)+c8 = 5\cos(0) + 2\sin(0) + c

2. Evaluate the trigonometric functions and solve for $c$

8=5(1)+2(0)+c8 = 5(1) + 2(0) + c
8=5+c8 = 5 + c
c=3c = 3

答案

c=3c = 3

6(b)

1. Differentiate the velocity function to find the acceleration function

a=dvdt=ddt(5cos⁡t+2sin⁡t+3)a = \frac{dv}{dt} = \frac{d}{dt}(5\cos t + 2\sin t + 3)
a=−5sin⁡t+2cos⁡ta = -5\sin t + 2\cos t

2. Substitute $t = 0$ to find the initial acceleration

a(0)=−5sin⁡(0)+2cos⁡(0)a(0) = -5\sin(0) + 2\cos(0)
a(0)=0+2(1)=2a(0) = 0 + 2(1) = 2

答案

2 m/s22 \text{ m/s}^2

6(c)

1. State the velocity function using the value of $c$ found in part (a)

From part (a), c=3c = 3, so the velocity function is:
v(t)=5cos⁡t+2sin⁡t+3v(t) = 5\cos t + 2\sin t + 3

2. Calculate the velocity at the start and end of the 3rd second ($t=2$ and $t=3$)

The 3rd second corresponds to the time interval 2<t<32 < t < 3.
At t=2t = 2:
v(2)=5cos⁡2+2sin⁡2+3≈2.74 m/sv(2) = 5\cos 2 + 2\sin 2 + 3 \approx 2.74 \text{ m/s}
At t=3t = 3:
v(3)=5cos⁡3+2sin⁡3+3≈−1.67 m/sv(3) = 5\cos 3 + 2\sin 3 + 3 \approx -1.67 \text{ m/s}

3. Conclude that the change in sign of velocity implies a change in direction

Since v(2)>0v(2) > 0 and v(3)<0v(3) < 0, the velocity changes from positive to negative between t=2t = 2 and t=3t = 3. Therefore, the particle changed its direction of motion during the 3rd second.

答案

Since v(2)>0v(2) > 0 and v(3)<0v(3) < 0, the velocity changes sign, indicating a change in direction during the 3rd second.

6(d)

1. Integrate the velocity function to find the general expression for displacement

From part (a), c=3c = 3, so v=5cos⁡t+2sin⁡t+3v = 5\cos t + 2\sin t + 3.
Let ss be the displacement.
s=∫v dts = \int v \, dt
s=∫(5cos⁡t+2sin⁡t+3) dts = \int (5\cos t + 2\sin t + 3) \, dt
s=5sin⁡t−2cos⁡t+3t+ks = 5\sin t - 2\cos t + 3t + k

2. Use the initial condition to find the constant of integration

Given that at t=0t = 0, s=3s = 3:
3=5sin⁡(0)−2cos⁡(0)+3(0)+k3 = 5\sin(0) - 2\cos(0) + 3(0) + k
3=0−2(1)+0+k3 = 0 - 2(1) + 0 + k
3=−2+k3 = -2 + k
k=5k = 5
So, s=5sin⁡t−2cos⁡t+3t+5s = 5\sin t - 2\cos t + 3t + 5.

3. Calculate the displacement at $t = 6$

Substitute t=6t = 6 into the displacement equation (ensure calculator is in radian mode):
s=5sin⁡(6)−2cos⁡(6)+3(6)+5s = 5\sin(6) - 2\cos(6) + 3(6) + 5
s=5(−0.2794)−2(0.9602)+18+5s = 5(-0.2794) - 2(0.9602) + 18 + 5
s=−1.397−1.920+23s = -1.397 - 1.920 + 23
s=19.683s = 19.683
s≈19.7 m (to 3 s.f.)s \approx 19.7 \text{ m (to 3 s.f.)}

答案

19.719.7 m

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