图中显示了两根在 P 点铰接的杆 PA 和 PB。两杆滑动时,P、A 和 B 处于同一铅直面上。当 P 向下移动时,A 和 B 将在水平地面上向相反方向移动。A 和 B 之间的水平距离为 x 米,P 距离地面的高度为 y 米。

  1. ((a))

    用 y 表示 x。

  2. ((b))

    已知 P 以 2 m s^-1 的速率下落,求当 P 距离地面 3 米时,x 的变化率。

  3. ((iii))

    杆 PA 与水平地面成一锐角 θ\theta。

    (iii) 利用第 (ii) 部分的答案,求当 P 距离地面 3 米时,θ\theta 的变化率。

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完整解法

8((a))

1. Form an equation using Pythagoras' theorem.

Since P is vertically above the midpoint of ABAB, the horizontal distance from the midpoint of ABAB to AA is x2\frac{x}{2}.

Using Pythagoras' theorem on the right-angled triangle,
(x2)2+y2=52\left(\frac{x}{2}\right)^2+y^2=5^2
(x2)2+y2=25\left(\frac{x}{2}\right)^2+y^2=25

2. Rearrange the equation to express $x$ in terms of $y$.

(x2)2=25−y2\left(\frac{x}{2}\right)^2=25-y^2
x2=25−y2\frac{x}{2}=\sqrt{25-y^2}
Since xx is a distance, take the positive square root.
x=225−y2x=2\sqrt{25-y^2}

答案

x=225−y2x=2\sqrt{25-y^2}

8((b))

1. Write the geometric relation between $x$ and $y$.

From the right triangle,
(x2)2+y2=25\left(\frac{x}{2}\right)^2+y^2=25
so
x24+y2=25.\frac{x^2}{4}+y^2=25.

2. Differentiate implicitly with respect to time.

Differentiate both sides with respect to tt:
12xdxdt+2ydydt=0.\frac{1}{2}x\frac{dx}{dt}+2y\frac{dy}{dt}=0.

3. Substitute $y=3$ and the falling rate of $P$ to find $\dfrac{dx}{dt}$.

Since PP is falling at 2 m s−12\text{ m s}^{-1},
dydt=−2.\frac{dy}{dt}=-2.
When y=3y=3,
(x2)2+32=25\left(\frac{x}{2}\right)^2+3^2=25
(x2)2=16\left(\frac{x}{2}\right)^2=16
x=8.x=8.
Substitute into
12xdxdt+2ydydt=0:\frac{1}{2}x\frac{dx}{dt}+2y\frac{dy}{dt}=0:
12(8)dxdt+2(3)(−2)=0\frac{1}{2}(8)\frac{dx}{dt}+2(3)(-2)=0
4dxdt−12=04\frac{dx}{dt}-12=0
dxdt=3.\frac{dx}{dt}=3.

答案

dxdt=32 m s−1\frac{dx}{dt}=\frac{3}{2}\text{ m s}^{-1}
So xx is increasing at 1.5 m s−11.5\text{ m s}^{-1}.

8((iii))

1. Write a trigonometric relation connecting $x$ and $\theta$.

From the right triangle with hypotenuse PA=5PA=5 and adjacent side x2\dfrac{x}{2},
cos⁡θ=x/25=x10.\cos\theta=\frac{x/2}{5}=\frac{x}{10}.

2. Differentiate the relation with respect to time.

Differentiate
cos⁡θ=x10\cos\theta=\frac{x}{10}
with respect to tt:
−sin⁡θdθdt=110dxdt.-\sin\theta\frac{d\theta}{dt}=\frac{1}{10}\frac{dx}{dt}.

3. Find $\sin\theta$ when $P$ is $3$ metres from the ground.

When y=3y=3, from the earlier geometry,
(x2)2+32=25\left(\frac{x}{2}\right)^2+3^2=25
(x2)2=16\left(\frac{x}{2}\right)^2=16
so x2=4\dfrac{x}{2}=4 and x=8x=8.

Thus
cos⁡θ=810=45.\cos\theta=\frac{8}{10}=\frac45.
Since θ\theta is acute,
sin⁡θ=35.\sin\theta=\frac35.

4. Substitute $\dfrac{dx}{dt}=\dfrac32$ and solve for $\dfrac{d\theta}{dt}$.

Using the answer to part (ii),
dxdt=32.\frac{dx}{dt}=\frac32.
Substitute into
−sin⁡θdθdt=110dxdt:-\sin\theta\frac{d\theta}{dt}=\frac{1}{10}\frac{dx}{dt}:
−35dθdt=110(32)-\frac35\frac{d\theta}{dt}=\frac{1}{10}\left(\frac32\right)
−35dθdt=320-\frac35\frac{d\theta}{dt}=\frac{3}{20}
dθdt=−320×53=−14.\frac{d\theta}{dt}=-\frac{3}{20}\times\frac{5}{3}=-\frac14.

答案

dθdt=−14 rad s−1\frac{d\theta}{dt}=-\frac14\text{ rad s}^{-1}
So θ\theta is decreasing at 0.25 rad s−10.25\text{ rad s}^{-1}.

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