质点 PP 沿直线运动,其速度 vv m/s 由 v=4sin⁡2(t2)−1v = 4\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) - 1 给出,其中 tt 是通过固定点 O 后的时间(以秒为单位)。 求:

  1. (i)

    PP 的初速度,

  2. (ii)

    加速度首次达到 2 m/s2^2 时的速度,

  3. (iii)

    通过固定点 O 后,质点首次瞬时静止时的 tt 值,

  4. (iv)

    在运动的第 3 秒内所经过的总路程。

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完整解法

12(i)

1. Substitute $t = 0$ into the velocity equation to find the initial velocity

When t=0t = 0,
v=4sin⁡2(02)−1v = 4\sin^2\left(\frac{0}{2}\right) - 1

2. Evaluate the expression

v=4(0)−1=−1v = 4(0) - 1 = -1

答案

−1 m/s-1\text{ m/s}

12(ii)

1. Find the expression for acceleration by differentiating velocity with respect to time.

a=dvdta = \frac{dv}{dt}
a=4[2sin⁡(t2)cos⁡(t2)⋅12]a = 4 \left[ 2\sin\left(\frac{t}{2}\right)\cos\left(\frac{t}{2}\right) \cdot \frac{1}{2} \right]
a=4sin⁡(t2)cos⁡(t2)a = 4\sin\left(\frac{t}{2}\right)\cos\left(\frac{t}{2}\right)

2. Simplify the acceleration expression using the double angle formula.

a=2[2sin⁡(t2)cos⁡(t2)]a = 2 \left[ 2\sin\left(\frac{t}{2}\right)\cos\left(\frac{t}{2}\right) \right]
a=2sin⁡(t)a = 2\sin(t)

3. Set acceleration to 2 and solve for the first time $t$.

2sin⁡(t)=22\sin(t) = 2
sin⁡(t)=1\sin(t) = 1
t=π2t = \frac{\pi}{2}

4. Substitute the value of $t$ back into the velocity equation.

v=4sin⁡2(π/22)−1v = 4\sin^2\left(\frac{\pi/2}{2}\right) - 1
v=4sin⁡2(π4)−1v = 4\sin^2\left(\frac{\pi}{4}\right) - 1
v=4(12)2−1v = 4\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 - 1
v=4(12)−1v = 4\left(\frac{1}{2}\right) - 1
v=2−1=1v = 2 - 1 = 1

答案

1 m/s1\text{ m/s}

12(iii)

1. Set velocity to zero to find when the particle is at rest

v=4sin⁡2(t2)−1=0v = 4\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) - 1 = 0

2. Solve for the trigonometric term

sin⁡2(t2)=14\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) = \frac{1}{4}
sin⁡(t2)=±12\sin\left(\frac{t}{2}\right) = \pm \frac{1}{2}

3. Find the first positive value of t

For the first time after passing O, we take the smallest positive value:
sin⁡(t2)=12\sin\left(\frac{t}{2}\right) = \frac{1}{2}
t2=π6\frac{t}{2} = \frac{\pi}{6}
t=π3t = \frac{\pi}{3}

答案

t=π3t = \frac{\pi}{3}

12(iv)

1. Express velocity in an integrable form using double angle formula

v=4sin⁡2(t2)−1v = 4\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) - 1
Using the double angle formula cos⁡t=1−2sin⁡2(t2)\cos t = 1 - 2\sin^2\left(\frac{t}{2}\right), we have 2sin⁡2(t2)=1−cos⁡t2\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) = 1 - \cos t.
v=2(1−cos⁡t)−1=1−2cos⁡tv = 2(1 - \cos t) - 1 = 1 - 2\cos t

2. Check for changes in direction during the 3rd second

The 3rd3^{\text{rd}} second is the time interval from t=2t = 2 to t=3t = 3.
We check if v=0v = 0 in this interval:
1−2cos⁡t=0  ⟹  cos⁡t=0.51 - 2\cos t = 0 \implies \cos t = 0.5
t=π3≈1.047 sort=5π3≈5.236 st = \frac{\pi}{3} \approx 1.047 \text{ s} \quad \text{or} \quad t = \frac{5\pi}{3} \approx 5.236 \text{ s}
Since there are no roots between t=2t = 2 and t=3t = 3, the particle does not change direction during the 3rd3^{\text{rd}} second. Furthermore, v(2)=1−2cos⁡2>0v(2) = 1 - 2\cos 2 > 0, so the velocity is positive throughout.

3. Integrate velocity to find the total distance travelled

Distance=∫23(1−2cos⁡t) dt\text{Distance} = \int_2^3 (1 - 2\cos t) \, dt
=[t−2sin⁡t]23= \left[ t - 2\sin t \right]_2^3
=(3−2sin⁡3)−(2−2sin⁡2)= (3 - 2\sin 3) - (2 - 2\sin 2)
=1−2sin⁡3+2sin⁡2= 1 - 2\sin 3 + 2\sin 2
=1−2(0.14112)+2(0.90930)= 1 - 2(0.14112) + 2(0.90930)
=2.53636⋯≈2.54 m= 2.53636 \dots \approx 2.54 \text{ m}

答案

2.54 m2.54\text{ m}

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