一质点 P 沿水平直线运动,在运动开始 tt 秒后,它相对于固定点 O 的位移 ss m 由下式给出: s=t3+5t2−2t+4.s = t^3 + 5t^2 - 2t + 4.

  1. (i)

    用 tt 表示 P 的速度。

  2. (ii)

    第二个质点 Q 与 P 在同一时刻开始运动,并与 P 沿同一条水平直线运动。在运动开始 tt 秒后,它的加速度 aa m/s2^2 由下式给出:

    a=6t+4.a = 6t + 4.

    当 t=1t = 1 时,Q 的速度为 4 m/s,且初始位移为 6 m。

    求 Q 的速度和位移关于 tt 的表达式。

  3. (iii)

    求质点 PP 和 QQ 相撞时刻的 tt 值,并判断在该时刻 PP 和 QQ 是否向同一方向运动。

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完整解法

11(i)

1. Differentiate the displacement function with respect to time to find the velocity

v=dsdt=ddt(t3+5t2−2t+4)v = \frac{ds}{dt} = \frac{d}{dt}(t^3 + 5t^2 - 2t + 4)
v=3t2+10t−2v = 3t^2 + 10t - 2

答案

v=3t2+10t−2v = 3t^2 + 10t - 2

11(ii)

1. Integrate acceleration to find the general expression for velocity

v=∫a dtv = \int a \, dt
v=∫(6t+4) dtv = \int (6t + 4) \, dt
v=3t2+4t+Cv = 3t^2 + 4t + C

2. Use the given condition to find the constant of integration for velocity

When t=1t = 1, v=4v = 4:
4=3(1)2+4(1)+C4 = 3(1)^2 + 4(1) + C
4=7+C4 = 7 + C
C=−3C = -3
So, v=3t2+4t−3v = 3t^2 + 4t - 3.

3. Integrate velocity to find the general expression for displacement

s=∫v dts = \int v \, dt
s=∫(3t2+4t−3) dts = \int (3t^2 + 4t - 3) \, dt
s=t3+2t2−3t+Ds = t^3 + 2t^2 - 3t + D

4. Use the initial displacement to find the constant of integration for displacement

Initial displacement is 6 m, so when t=0t = 0, s=6s = 6:
6=(0)3+2(0)2−3(0)+D6 = (0)^3 + 2(0)^2 - 3(0) + D
D=6D = 6
So, s=t3+2t2−3t+6s = t^3 + 2t^2 - 3t + 6.

答案

Velocity: v=3t2+4t−3v = 3t^2 + 4t - 3
Displacement: s=t3+2t2−3t+6s = t^3 + 2t^2 - 3t + 6

11(iii)

1. Equate the displacements of P and Q to find the time of collision

From earlier parts, sP=t3+5t2−2t+4s_P = t^3 + 5t^2 - 2t + 4 and sQ=t3+2t2−3t+6s_Q = t^3 + 2t^2 - 3t + 6.
At collision, sP=sQs_P = s_Q:
t3+5t2−2t+4=t3+2t2−3t+6t^3 + 5t^2 - 2t + 4 = t^3 + 2t^2 - 3t + 6
3t2+t−2=03t^2 + t - 2 = 0

2. Solve the quadratic equation for $t$

(3t−2)(t+1)=0(3t - 2)(t + 1) = 0
t=23t = \frac{2}{3} or t=−1t = -1
Since t≥0t \ge 0, t=23t = \frac{2}{3}.

3. Evaluate the velocities of P and Q at $t = \frac{2}{3}$

From earlier parts, vP=3t2+10t−2v_P = 3t^2 + 10t - 2 and vQ=3t2+4t−3v_Q = 3t^2 + 4t - 3.
When t=23t = \frac{2}{3}:
vP=3(23)2+10(23)−2=43+203−2=6 m/sv_P = 3\left(\frac{2}{3}\right)^2 + 10\left(\frac{2}{3}\right) - 2 = \frac{4}{3} + \frac{20}{3} - 2 = 6 \text{ m/s}
vQ=3(23)2+4(23)−3=43+83−3=1 m/sv_Q = 3\left(\frac{2}{3}\right)^2 + 4\left(\frac{2}{3}\right) - 3 = \frac{4}{3} + \frac{8}{3} - 3 = 1 \text{ m/s}

4. Determine if they are travelling in the same direction

Since both vP=6>0v_P = 6 > 0 and vQ=1>0v_Q = 1 > 0, they are both travelling in the positive direction.
Therefore, they are travelling in the same direction.

答案

t=23t = \frac{2}{3}, yes, they are travelling in the same direction.

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