一个沿直线运动的质点,以 4 m/s4\text{ m/s} 的速度通过一个固定点 OO。在通过 OO 点 tt 秒后,其加速度为 (6t−8) m s−2(6t - 8)\text{ m s}^{-2}。求

  1. (i)

    粒子的最小速度,

  2. (ii)

    粒子首次达到瞬时静止的时间,

  3. (iii)

    在第 2nd2^{\text{nd}} 秒内走过的路程。

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完整解法

4(i)

1. Integrate the acceleration function to find the velocity function

v=∫a dtv = \int a \, dt
v=∫(6t−8) dtv = \int (6t - 8) \, dt
v=3t2−8t+cv = 3t^2 - 8t + c

2. Use the initial condition to find the constant of integration

When t=0t = 0, v=4v = 4.
4=3(0)2−8(0)+c  ⟹  c=44 = 3(0)^2 - 8(0) + c \implies c = 4
v=3t2−8t+4v = 3t^2 - 8t + 4

3. Find the time at which the minimum velocity occurs

For minimum velocity, dvdt=a=0\frac{dv}{dt} = a = 0.
6t−8=06t - 8 = 0
t=86=43t = \frac{8}{6} = \frac{4}{3}

4. Calculate the minimum velocity

Substitute t=43t = \frac{4}{3} into the velocity equation:
vmin=3(43)2−8(43)+4v_{\text{min}} = 3\left(\frac{4}{3}\right)^2 - 8\left(\frac{4}{3}\right) + 4
vmin=3(169)−323+4v_{\text{min}} = 3\left(\frac{16}{9}\right) - \frac{32}{3} + 4
vmin=163−323+123=−43v_{\text{min}} = \frac{16}{3} - \frac{32}{3} + \frac{12}{3} = -\frac{4}{3}

答案

−43 m/s-\frac{4}{3}\text{ m/s}

4(ii)

1. Find the expression for velocity $v(t)$ by integrating acceleration.

v=∫(6t−8) dt=3t2−8t+cv = \int (6t - 8) \, dt = 3t^2 - 8t + c
Given v=4v = 4 when t=0t = 0, c=4c = 4.
∴v=3t2−8t+4\therefore v = 3t^2 - 8t + 4

2. Set velocity to zero to find times of instantaneous rest.

For instantaneous rest, v=0v = 0:
3t2−8t+4=03t^2 - 8t + 4 = 0
(3t−2)(t−2)=0(3t - 2)(t - 2) = 0
t=23t = \frac{2}{3} or t=2t = 2

3. Select the time when the particle first comes to rest.

The particle first comes to rest at the smaller positive value of tt.
t=23t = \frac{2}{3}

答案

t=23t = \frac{2}{3}

4(iii)

1. Find the velocity function $v(t)$

v(t)=∫(6t−8)dt=3t2−8t+cv(t) = \int (6t - 8) dt = 3t^2 - 8t + c
Given v(0)=4v(0) = 4, c=4c = 4.
v(t)=3t2−8t+4v(t) = 3t^2 - 8t + 4

2. Determine if the particle changes direction during the $2^{\text{nd}}$ second ($t=1$ to $t=2$)

v(t)=(3t−2)(t−2)v(t) = (3t - 2)(t - 2)
The particle is at rest at t=23t = \frac{2}{3} and t=2t = 2.
Since v(t)≤0v(t) \le 0 for 1≤t≤21 \le t \le 2, the particle does not change direction during the 2nd2^{\text{nd}} second.

3. Calculate the distance travelled in the $2^{\text{nd}}$ second

Distance =∣∫12(3t2−8t+4)dt∣= \left| \int_{1}^{2} (3t^2 - 8t + 4) dt \right|
=∣[t3−4t2+4t]12∣= \left| \left[ t^3 - 4t^2 + 4t \right]_{1}^{2} \right|
=∣(23−4(2)2+4(2))−(13−4(1)2+4(1))∣= \left| (2^3 - 4(2)^2 + 4(2)) - (1^3 - 4(1)^2 + 4(1)) \right|
=∣(8−16+8)−(1−4+4)∣= \left| (8 - 16 + 8) - (1 - 4 + 4) \right|
=∣0−1∣=1 m= \left| 0 - 1 \right| = 1\text{ m}

答案

1 m1\text{ m}

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