一个质点在直线上运动,其速度 v m/sv\text{ m/s} 由 v=9sin⁡(t2)v = 9\sin\left(\frac{t}{2}\right) 给出,其中 tt 是通过固定点 OO 之后的秒数。

  1. (a)

    求质点在离开 OO 后首次瞬时静止时的 tt 值。

  2. (b)

    求质点首次达到最大速度时的 tt 值。

  3. (c)

    计算质点在最初 10 秒内运动的路程。

  4. (d)

    求质点再次通过点 OO 的时间。

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完整解法

10(a)

1. Set the velocity equation to zero to find when the particle is at instantaneous rest

v=9sin⁡(t2)=0v = 9\sin\left(\frac{t}{2}\right) = 0

2. Solve the trigonometric equation for the first positive value of t

sin⁡(t2)=0\sin\left(\frac{t}{2}\right) = 0
t2=0,π,2π,…\frac{t}{2} = 0, \pi, 2\pi, \dots
Since it is after leaving OO (t>0t > 0), the first instantaneous rest occurs when t2=π\frac{t}{2} = \pi.

3. Calculate the final value of t

t=2πt = 2\pi

答案

t=2πt = 2\pi

10(b)

1. Identify the condition for maximum velocity

The maximum value of v=9sin⁡(t2)v = 9\sin\left(\frac{t}{2}\right) occurs when sin⁡(t2)=1\sin\left(\frac{t}{2}\right) = 1.

2. Solve for the first positive value of $t$

t2=π2\frac{t}{2} = \frac{\pi}{2}
t=πt = \pi

答案

t=πt = \pi (or 3.143.14)

10(c)

1. Identify the time when the particle changes direction

From part (a), the particle is at instantaneous rest when v=0v = 0.
9sin⁡(t2)=09\sin\left(\frac{t}{2}\right) = 0
t2=π  ⟹  t=2π≈6.283 s\frac{t}{2} = \pi \implies t = 2\pi \approx 6.283\text{ s}
Since 2π<102\pi < 10, the particle changes direction at t=2πt = 2\pi.

2. Set up the integral for total distance

Total distance =∫02πv dt+∣∫2π10v dt∣= \int_0^{2\pi} v \, dt + \left| \int_{2\pi}^{10} v \, dt \right|

3. Integrate the velocity function

∫9sin⁡(t2) dt=91/2(−cos⁡(t2))=−18cos⁡(t2)\int 9\sin\left(\frac{t}{2}\right) \, dt = \frac{9}{1/2}\left(-\cos\left(\frac{t}{2}\right)\right) = -18\cos\left(\frac{t}{2}\right)

4. Evaluate the definite integrals to find the total distance

Distance from t=0t=0 to t=2πt=2\pi:
[−18cos⁡(t/2)]02π=−18cos⁡(π)−(−18cos⁡(0))=18−(−18)=36[-18\cos(t/2)]_0^{2\pi} = -18\cos(\pi) - (-18\cos(0)) = 18 - (-18) = 36

Distance from t=2πt=2\pi to t=10t=10:
∣[−18cos⁡(t/2)]2π10∣=∣−18cos⁡(5)−(−18cos⁡(π))∣\left| [-18\cos(t/2)]_{2\pi}^{10} \right| = \left| -18\cos(5) - (-18\cos(\pi)) \right|
=∣−18cos⁡(5)−18∣=18cos⁡(5)+18= \left| -18\cos(5) - 18 \right| = 18\cos(5) + 18

Total distance =36+18cos⁡(5)+18=54+18cos⁡(5)= 36 + 18\cos(5) + 18 = 54 + 18\cos(5)
=54+5.1059≈59.1059= 54 + 5.1059 \approx 59.1059
Total distance ≈59.1 m\approx 59.1\text{ m} (to 3 s.f.)

答案

59.1 m59.1\text{ m}

10(d)

1. Integrate the velocity function to find the displacement $s$.

s=∫v dt=∫9sin⁡(t2) dts = \int v \, dt = \int 9\sin\left(\frac{t}{2}\right) \, dt
s=−18cos⁡(t2)+Cs = -18\cos\left(\frac{t}{2}\right) + C

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

Since the particle is at OO when t=0t = 0, s=0s = 0 when t=0t = 0.
0=−18cos⁡(0)+C0 = -18\cos(0) + C
0=−18(1)+C  ⟹  C=180 = -18(1) + C \implies C = 18
s=18−18cos⁡(t2)s = 18 - 18\cos\left(\frac{t}{2}\right)

3. Set displacement to zero and solve for the next time $t$.

The particle passes through OO again when s=0s = 0 and t>0t > 0.
18−18cos⁡(t2)=018 - 18\cos\left(\frac{t}{2}\right) = 0
cos⁡(t2)=1\cos\left(\frac{t}{2}\right) = 1
t2=2π\frac{t}{2} = 2\pi
t=4π≈12.6 st = 4\pi \approx 12.6 \text{ s}

答案

4π4\pi s (or 12.612.6 s)

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