一名骑行者从家 OO 出发沿一条笔直的道路运动。他的速度 v m/minv\text{ m/min} 由 v=25+10t−3t2v = 25 + 10t - 3t^2 给出,其中 tt 是离开 OO 后的时间(以分钟为单位)。计算

  1. (i)

    当骑行者瞬时静止时的加速度,

  2. (ii)

    当骑行者速度达到最大时的位移,

  3. (iii)

    骑行者在前 8 分钟内的平均速度。

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完整解法

12(i)

1. Find the time when the cyclist is instantaneously at rest by setting $v = 0$

When the cyclist is instantaneously at rest, v=0v = 0.
25+10t−3t2=025 + 10t - 3t^2 = 0
3t2−10t−25=03t^2 - 10t - 25 = 0
(3t+5)(t−5)=0(3t + 5)(t - 5) = 0
Since t≥0t \ge 0, t=5t = 5.

2. Find the expression for acceleration by differentiating velocity

a=dvdta = \frac{dv}{dt}
a=ddt(25+10t−3t2)a = \frac{d}{dt}(25 + 10t - 3t^2)
a=10−6ta = 10 - 6t

3. Calculate the acceleration at $t = 5$

When t=5t = 5,
a=10−6(5)a = 10 - 6(5)
a=10−30=−20a = 10 - 30 = -20

答案

−20 m/min2-20\text{ m/min}^2

12(ii)

1. Find the time when the velocity is at a maximum

For maximum velocity, dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0.
dvdt=10−6t\frac{dv}{dt} = 10 - 6t
10−6t=010 - 6t = 0
t=106=53t = \frac{10}{6} = \frac{5}{3}

2. Find the expression for displacement, $s$, by integrating velocity

s=∫v dts = \int v \, dt
s=∫(25+10t−3t2) dts = \int (25 + 10t - 3t^2) \, dt
s=25t+5t2−t3+cs = 25t + 5t^2 - t^3 + c
Since the cyclist starts from OO, s=0s = 0 when t=0t = 0, so c=0c = 0.
s=25t+5t2−t3s = 25t + 5t^2 - t^3

3. Calculate the displacement at the time of maximum velocity

Substitute t=53t = \frac{5}{3} into the displacement equation:
s=25(53)+5(53)2−(53)3s = 25\left(\frac{5}{3}\right) + 5\left(\frac{5}{3}\right)^2 - \left(\frac{5}{3}\right)^3
s=1253+5(259)−12527s = \frac{125}{3} + 5\left(\frac{25}{9}\right) - \frac{125}{27}
s=112527+37527−12527s = \frac{1125}{27} + \frac{375}{27} - \frac{125}{27}
s=137527=502527s = \frac{1375}{27} = 50\frac{25}{27}

答案

502527 m50\frac{25}{27}\text{ m}

12(iii)

1. Find the time when the cyclist is instantaneously at rest

Set v=0v = 0:
25+10t−3t2=025 + 10t - 3t^2 = 0
3t2−10t−25=03t^2 - 10t - 25 = 0
(3t+5)(t−5)=0(3t + 5)(t - 5) = 0
t=5t = 5 or t=−53t = -\frac{5}{3} (reject since t≥0t \ge 0)

2. Find the displacement function $s(t)$

s=∫v dt=∫(25+10t−3t2) dts = \int v \, dt = \int (25 + 10t - 3t^2) \, dt
s=25t+5t2−t3+cs = 25t + 5t^2 - t^3 + c
Since s=0s = 0 when t=0t = 0, c=0c = 0.
s=25t+5t2−t3s = 25t + 5t^2 - t^3

3. Calculate the total distance travelled in the first 8 minutes

The cyclist changes direction at t=5t = 5.
Displacement at t=0t = 0: s(0)=0s(0) = 0
Displacement at t=5t = 5: s(5)=25(5)+5(5)2−(5)3=125+125−125=125 ms(5) = 25(5) + 5(5)^2 - (5)^3 = 125 + 125 - 125 = 125\text{ m}
Displacement at t=8t = 8: s(8)=25(8)+5(8)2−(8)3=200+320−512=8 ms(8) = 25(8) + 5(8)^2 - (8)^3 = 200 + 320 - 512 = 8\text{ m}
Distance travelled from t=0t=0 to t=5t=5: ∣125−0∣=125 m|125 - 0| = 125\text{ m}
Distance travelled from t=5t=5 to t=8t=8: ∣8−125∣=117 m|8 - 125| = 117\text{ m}
Total distance = 125+117=242 m125 + 117 = 242\text{ m}

4. Calculate the average speed

Average speed = Total distanceTotal time\frac{\text{Total distance}}{\text{Total time}}
Average speed = 2428=30.25 m/min\frac{242}{8} = 30.25\text{ m/min}

答案

21.25 m/min21.25\text{ m/min}

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