一个质点通过一个固定点 OO 并沿直线运动,在离开 OO 点 tt 秒后,其速度 v m/sv\text{ m/s} 由 v=3t+2−t+23v = \frac{3}{t+2} - \frac{t+2}{3} 给出。该质点在 PP 点达到距离 OO 的最大距离。

  1. (a)

    求质点到达 PP 点的时间。

  2. (b)

    求当 t=2t = 2 时质点所经过的路程。

  3. (c)

    证明质点的速度在 PP 点是减小的。

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完整解法

12(a)

1. Set velocity to zero to find the time when the particle reaches its greatest distance

At the greatest distance from OO, the particle is instantaneously at rest, so v=0v = 0.
3t+2−t+23=0\frac{3}{t+2} - \frac{t+2}{3} = 0

2. Solve the equation for $t$

3t+2=t+23\frac{3}{t+2} = \frac{t+2}{3}
(t+2)2=9(t+2)^2 = 9
t+2=3ort+2=−3t+2 = 3 \quad \text{or} \quad t+2 = -3
t=1ort=−5t = 1 \quad \text{or} \quad t = -5
Since t⩾0t \geqslant 0, t=1t = 1.

答案

t=1t = 1

12(b)

1. Find the time when the particle changes direction (from part a).

The particle changes direction when v=0v = 0.
3t+2−t+23=0\frac{3}{t+2} - \frac{t+2}{3} = 0
(t+2)2=9(t+2)^2 = 9
t+2=3  ⟹  t=1t+2 = 3 \implies t = 1

2. Integrate velocity to find the displacement function $s(t)$.

s(t)=∫(3t+2−t+23)dts(t) = \int \left( \frac{3}{t+2} - \frac{t+2}{3} \right) dt
s(t)=3ln⁡(t+2)−(t+2)26+Cs(t) = 3 \ln(t+2) - \frac{(t+2)^2}{6} + C

3. Find the constant of integration $C$.

Since the particle passes OO at t=0t = 0, s(0)=0s(0) = 0.
0=3ln⁡(2)−226+C0 = 3 \ln(2) - \frac{2^2}{6} + C
C=23−3ln⁡2C = \frac{2}{3} - 3 \ln 2

4. Calculate the displacement at $t=1$ and $t=2$.

s(1)=3ln⁡(3)−326+23−3ln⁡2=3ln⁡(32)−56≈0.38306s(1) = 3 \ln(3) - \frac{3^2}{6} + \frac{2}{3} - 3 \ln 2 = 3 \ln\left(\frac{3}{2}\right) - \frac{5}{6} \approx 0.38306
s(2)=3ln⁡(4)−426+23−3ln⁡2=3ln⁡2−2≈0.07944s(2) = 3 \ln(4) - \frac{4^2}{6} + \frac{2}{3} - 3 \ln 2 = 3 \ln 2 - 2 \approx 0.07944

5. Calculate the total distance travelled.

Since the particle changes direction at t=1t=1, the total distance is the distance from t=0t=0 to t=1t=1 plus the distance from t=1t=1 to t=2t=2.
Distance=∣s(1)−s(0)∣+∣s(2)−s(1)∣\text{Distance} = |s(1) - s(0)| + |s(2) - s(1)|
Distance=s(1)+(s(1)−s(2))=2s(1)−s(2)\text{Distance} = s(1) + (s(1) - s(2)) = 2s(1) - s(2)
Distance=2(0.38306)−0.07944=0.68668≈0.687 m\text{Distance} = 2(0.38306) - 0.07944 = 0.68668 \approx 0.687\text{ m}

答案

0.687 m0.687\text{ m}

12(c)

1. Differentiate the velocity function to find the acceleration $a$.

v=3(t+2)−1−13(t+2)v = 3(t+2)^{-1} - \frac{1}{3}(t+2)
a=dvdt=−3(t+2)−2−13a = \frac{dv}{dt} = -3(t+2)^{-2} - \frac{1}{3}
a=−3(t+2)2−13a = -\frac{3}{(t+2)^2} - \frac{1}{3}

2. Evaluate the acceleration at $t = 1$ (the time at point $P$ from part a) to show it is negative.

From part (a), at point PP, t=1t = 1.
Substitute t=1t = 1 into aa:
a=−3(1+2)2−13a = -\frac{3}{(1+2)^2} - \frac{1}{3}
a=−39−13=−23a = -\frac{3}{9} - \frac{1}{3} = -\frac{2}{3}
Since a<0a < 0, the velocity of the particle is decreasing at point PP.

答案

Since a=−23<0a = -\frac{2}{3} < 0, the velocity is decreasing at PP.

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