一质点沿直线运动,其初始速度为 21 cm/s。在 tt 秒后,其加速度 aa cm/s2^2 由 a=2t−10a = 2t - 10 给出。当 t=0t = 0 时,它相对于固定点 OO 的位移 ss cm 为 4 cm。 求该质点在头 7 秒内运动的路程。

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完整解法

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1. Integrate acceleration to find the velocity function $v(t)$.

v=∫a dtv = \int a \, dt
v=∫(2t−10) dtv = \int (2t - 10) \, dt
v=t2−10t+Cv = t^2 - 10t + C

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

Given initial velocity is 2121 cm/s, when t=0t = 0, v=21v = 21.
21=(0)2−10(0)+C21 = (0)^2 - 10(0) + C
C=21C = 21
v=t2−10t+21v = t^2 - 10t + 21

3. Find the times when the particle is instantaneously at rest.

Set v=0v = 0:
t2−10t+21=0t^2 - 10t + 21 = 0
(t−3)(t−7)=0(t - 3)(t - 7) = 0
t=3 or t=7t = 3 \text{ or } t = 7

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

s=∫v dts = \int v \, dt
s=∫(t2−10t+21) dts = \int (t^2 - 10t + 21) \, dt
s=13t3−5t2+21t+Ds = \frac{1}{3}t^3 - 5t^2 + 21t + D

5. Use the initial condition to find the constant of integration for displacement.

When t=0t = 0, s=4s = 4.
4=13(0)3−5(0)2+21(0)+D4 = \frac{1}{3}(0)^3 - 5(0)^2 + 21(0) + D
D=4D = 4
s=13t3−5t2+21t+4s = \frac{1}{3}t^3 - 5t^2 + 21t + 4

6. Calculate the displacement at the key times $t=0$, $t=3$, and $t=7$.

At t=0t = 0, s=4s = 4
At t=3t = 3, s=13(3)3−5(3)2+21(3)+4=9−45+63+4=31s = \frac{1}{3}(3)^3 - 5(3)^2 + 21(3) + 4 = 9 - 45 + 63 + 4 = 31
At t=7t = 7, s=13(7)3−5(7)2+21(7)+4=3433−245+147+4=3433−94=613=2013s = \frac{1}{3}(7)^3 - 5(7)^2 + 21(7) + 4 = \frac{343}{3} - 245 + 147 + 4 = \frac{343}{3} - 94 = \frac{61}{3} = 20\frac{1}{3}

7. Calculate the total distance travelled by summing the distances between turning points.

Distance from t=0t=0 to t=3t=3: ∣31−4∣=27|31 - 4| = 27
Distance from t=3t=3 to t=7t=7: ∣2013−31∣=∣−1023∣=1023|20\frac{1}{3} - 31| = |-10\frac{2}{3}| = 10\frac{2}{3}
Total distance =27+1023=3723= 27 + 10\frac{2}{3} = 37\frac{2}{3} cm

答案

372337\frac{2}{3} cm

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