斯托克斯定律指出,当半径为 的球形物体在流体中以速度 下落时,作用在球体上的阻力 由下式给出: 其中 是流体的黏度系数。下表显示了在 时各种流体的黏度系数。 一个半径为 0.05 m、质量为 0.2 kg 的球体在 的玉米糖浆的巨大容器中由静止释放。可以证明,当球体在玉米糖浆中下落时,释放 秒后的速度 ms^{-1} 满足微分方程: 其中 是重力加速度, kg 是球体的质量。
- (i)
求用 表示的 。
- (ii)
假设球体没有到达容器底部,指出球体在很长一段时间后的速度。
- (iii)
球体自释放点起运动的距离记为 m。
利用 这一事实,求球体在 30 秒后运动的距离。
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完整解法
3(i)
1. Substitute the given values of $\eta$, $R$, $m$, and $g$ into the differential equation.
From the table, the coefficient of viscosity for corn syrup is .
Substituting the values , , and :
The differential equation becomes:
2. Separate the variables $v$ and $t$, then integrate both sides.
3. Use the initial condition to find the constant of integration.
Since the ball is released from rest, when .
Substituting back:
4. Rearrange the equation to make $v$ the subject.
Multiply by :
3(ii)
1. Evaluate the velocity as $t \to \infty$ by setting the rate of change to zero (or by taking the limit of $v(t)$ from part (i)).
As , the velocity approaches a constant value (terminal velocity), so .
3(iii)
1. Concisely retrieve the velocity function $v(t)$ obtained from solving the differential equation in part (i).
From part (i), the constant .
Solving the differential equation with the initial condition gives:
2. Set up the definite integral to find the distance covered in 30 seconds using $v = \frac{dx}{dt}$.
Since and the ball is released from rest, the distance covered is the integral of velocity with respect to time:
3. Evaluate the definite integral to find the distance.
Integrating analytically (or evaluating directly using a graphing calculator):
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