一个质点 P 从固定点 O 处由静止出发并沿直线运动。通过 O 点 t st\ \text{s} 后,质点的速度 v ms−1v\ \text{ms}^{-1} 由 v=8t−ct3v = 8t - ct^{3} 给出,其中 cc 是一个正常数。22 秒后质点的速度为 12 ms−112\ \text{ms}^{-1}。 求

  1. (a)

    cc 的值。

  2. (b)

    22 秒后的加速度,

  3. (c)

    P 改变运动方向的时间,

  4. (d)

    质点在前 55 秒内的平均速率。

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完整解法

8(a)

1. Substitute the given values of $v$ and $t$ into the velocity equation to find $c$

When t=2t = 2, v=12v = 12.
12=8(2)−c(2)312 = 8(2) - c(2)^3
12=16−8c12 = 16 - 8c
8c=48c = 4
c=0.5c = 0.5

答案

c=0.5c = 0.5

8(b)

1. Find the expression for acceleration by differentiating velocity

From part (a), c=0.5c = 0.5, so v=8t−0.5t3v = 8t - 0.5t^3.
a=dvdt=8−1.5t2a = \frac{dv}{dt} = 8 - 1.5t^2

2. Calculate the acceleration at $t = 2$

When t=2t = 2,
a=8−1.5(2)2a = 8 - 1.5(2)^2
a=8−1.5(4)=8−6=2 ms−2a = 8 - 1.5(4) = 8 - 6 = 2\ \text{ms}^{-2}

答案

2 ms−22\ \text{ms}^{-2}

8(c)

1. Set velocity to zero to find when the particle changes direction

From part (a), c=0.5c = 0.5, so v=8t−0.5t3v = 8t - 0.5t^3.
The particle changes direction when v=0v = 0:
8t−0.5t3=08t - 0.5t^3 = 0

2. Solve the equation for $t > 0$

t(8−0.5t2)=0t(8 - 0.5t^2) = 0
Since the particle starts at t=0t=0, we look for t>0t > 0:
8−0.5t2=08 - 0.5t^2 = 0
0.5t2=80.5t^2 = 8
t2=16t^2 = 16
t=4 (since t>0)t = 4 \text{ (since } t > 0)

答案

4 s4\text{ s}

8(d)

1. Find the value of c from part (a)

Given v=12v = 12 when t=2t = 2:
12=8(2)−c(2)312 = 8(2) - c(2)^3
12=16−8c12 = 16 - 8c
8c=4  ⟹  c=0.58c = 4 \implies c = 0.5
So, v=8t−0.5t3v = 8t - 0.5t^3.

2. Find the time when the particle changes direction from part (c)

Particle changes direction when v=0v = 0:
8t−0.5t3=08t - 0.5t^3 = 0
t(8−0.5t2)=0t(8 - 0.5t^2) = 0
Since t>0t > 0, 0.5t2=8  ⟹  t2=16  ⟹  t=40.5t^2 = 8 \implies t^2 = 16 \implies t = 4.

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

s=∫v dt=∫(8t−0.5t3) dts = \int v \, dt = \int (8t - 0.5t^3) \, dt
s=4t2−0.5t44+C=4t2−0.125t4+Cs = 4t^2 - \frac{0.5t^4}{4} + C = 4t^2 - 0.125t^4 + C
Since s=0s = 0 when t=0t = 0, C=0C = 0.
s=4t2−0.125t4s = 4t^2 - 0.125t^4

4. Calculate the distance travelled in the first 4 seconds

At t=4t = 4:
s(4)=4(4)2−0.125(4)4=64−32=32 ms(4) = 4(4)^2 - 0.125(4)^4 = 64 - 32 = 32\text{ m}

5. Calculate the distance travelled from t = 4 to t = 5

At t=5t = 5:
s(5)=4(5)2−0.125(5)4=100−0.125(625)=100−78.125=21.875 ms(5) = 4(5)^2 - 0.125(5)^4 = 100 - 0.125(625) = 100 - 78.125 = 21.875\text{ m}
Distance from t=4t=4 to t=5t=5 is ∣s(5)−s(4)∣=∣21.875−32∣=10.125 m|s(5) - s(4)| = |21.875 - 32| = 10.125\text{ m}

6. Calculate the total distance and average speed

Total distance =32+10.125=42.125 m= 32 + 10.125 = 42.125\text{ m}
Average speed =Total distanceTotal time=42.1255=8.425 m/s= \frac{\text{Total distance}}{\text{Total time}} = \frac{42.125}{5} = 8.425\text{ m/s}

答案

10.25 m/s10.25\text{ m/s}

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