在军事演习中,跳伞员从静止的直升机上跳下,他们的运动由贴在身体上的传感器进行追踪。一名跳伞员从直升机上垂直跳下。在时间 t 秒时,跳伞员在直升机下方 x 米处,速度为 v ms^{-1}。他受到一个向下的大小为 9.8 ms^{-2} 的重力加速度,以及由于空气阻力产生的一个向上的大小为 R 的加速度,其中 R < 9.8。R 与 v 成正比,比例常数为 k > 0。

  1. 跳伞员的速度 v 的变化率被建模为向下的重力加速度与 R 之间的差。写出联系 v、t 和 k 的微分方程,并求解该微分方程以用 t 和 k 表示 v 的表达式。

  2. 落体的终端速度是指很长一段时间后其速度的值。用 k 表示跳伞员的终端速度。

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完整解法

2[0]

1. Write down the differential equation from the given model.

Given that RR is directly proportional to vv with constant k>0k > 0, we have R=kvR = kv.
The rate of change of vv is the difference between gravitational acceleration and RR:
dvdt=9.8−kv\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = 9.8 - kv

2. Separate the variables and integrate to find the general solution.

∫19.8−kv dv=∫1 dt\int \frac{1}{9.8 - kv} \, \mathrm{d}v = \int 1 \, \mathrm{d}t
−1kln⁡∣9.8−kv∣=t+C-\frac{1}{k} \ln |9.8 - kv| = t + C
Since R<9.8R < 9.8, we have kv<9.8kv < 9.8, so 9.8−kv>09.8 - kv > 0. We can drop the absolute value:
−1kln⁡(9.8−kv)=t+C-\frac{1}{k} \ln(9.8 - kv) = t + C

3. Apply the initial condition to find the constant of integration.

Assuming the parachutist jumps from rest from a stationary helicopter, v=0v = 0 when t=0t = 0.
−1kln⁡(9.8−k(0))=0+C-\frac{1}{k} \ln(9.8 - k(0)) = 0 + C
C=−1kln⁡9.8C = -\frac{1}{k} \ln 9.8

4. Rearrange the equation to make $v$ the subject.

Substitute CC back into the equation:
−1kln⁡(9.8−kv)=t−1kln⁡9.8-\frac{1}{k} \ln(9.8 - kv) = t - \frac{1}{k} \ln 9.8
ln⁡(9.8−kv)−ln⁡9.8=−kt\ln(9.8 - kv) - \ln 9.8 = -kt
ln⁡(9.8−kv9.8)=−kt\ln \left( \frac{9.8 - kv}{9.8} \right) = -kt
9.8−kv9.8=e−kt\frac{9.8 - kv}{9.8} = e^{-kt}
9.8−kv=9.8e−kt9.8 - kv = 9.8e^{-kt}
kv=9.8(1−e−kt)kv = 9.8(1 - e^{-kt})
v=9.8k(1−e−kt)v = \frac{9.8}{k}(1 - e^{-kt})

答案

Differential equation: dvdt=9.8−kv\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = 9.8 - kv

Expression: v=9.8k(1−e−kt)v = \frac{9.8}{k}(1 - e^{-kt})

2[1]

1. Determine the terminal velocity by considering the behaviour of $v$ as time $t$ approaches infinity.

Using the expression for vv derived in the previous part, v=9.8k(1−e−kt)v = \frac{9.8}{k}\left(1 - e^{-kt}\right).

As t→∞t \to \infty, since k>0k > 0, the term e−kt→0e^{-kt} \to 0.

Alternatively, terminal velocity occurs when the acceleration is zero (i.e. dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0), giving 9.8−kv=09.8 - kv = 0.

In both cases, the terminal velocity v=9.8kv = \frac{9.8}{k}.

答案

9.8k\frac{9.8}{k}

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