一个质点 PP 沿直线运动,在离开定点 OO 后的 tt 秒时,其速度 vv m/s 由 v=10e−2t−3v = 10e^{-2t} - 3 给出。

  1. (i)

    求 PP 的初速度。

  2. (ii)

    求当 t=1t = 1 时 PP 的加速度。

  3. (iii)

    求当 PP 处于瞬时静止时 tt 的值。

  4. (iv)

    求 PP 在达到瞬时静止前所运动的总路程。

  5. (v)

    解释为什么 vv 的值总是大于 −3-3。

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完整解法

11(i)

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

When t=0t = 0,
v=10e−2(0)−3v = 10e^{-2(0)} - 3
v=10(1)−3v = 10(1) - 3
v=7v = 7

答案

7 m/s7\text{ m/s}

11(ii)

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

a=dvdt=ddt(10e−2t−3)=−20e−2ta = \frac{dv}{dt} = \frac{d}{dt}(10e^{-2t} - 3) = -20e^{-2t}

2. Substitute $t = 1$ to find the acceleration

When t=1t = 1,
a=−20e−2(1)=−20e−2≈−2.71 m/s2a = -20e^{-2(1)} = -20e^{-2} \approx -2.71 \text{ m/s}^2

答案

−20e−2-20e^{-2} m/s2^2 (or −2.71-2.71 m/s2^2)

11(iii)

1. Set velocity to zero for instantaneous rest

For instantaneous rest, v=0v = 0.
10e−2t−3=010e^{-2t} - 3 = 0

2. Isolate the exponential term

10e−2t=310e^{-2t} = 3
e−2t=0.3e^{-2t} = 0.3

3. Solve for $t$ using natural logarithms

−2t=ln⁡0.3-2t = \ln 0.3
t=−12ln⁡0.3t = -\frac{1}{2} \ln 0.3
t≈0.601986t \approx 0.601986
t≈0.602 (to 3 s.f.)t \approx 0.602 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

t=0.602t = 0.602

11(iv)

1. Find the time $t$ when the particle is at instantaneous rest (from part iii).

At instantaneous rest, v=0v = 0.
10e−2t−3=010e^{-2t} - 3 = 0
e−2t=0.3e^{-2t} = 0.3
−2t=ln⁡0.3-2t = \ln 0.3
t=−12ln⁡0.3≈0.601986t = -\frac{1}{2}\ln 0.3 \approx 0.601986

2. Set up the definite integral for the distance travelled.

Since v>0v > 0 for 0⩽t<0.6019860 \leqslant t < 0.601986, the distance travelled is the integral of vv from t=0t = 0 to t=0.601986t = 0.601986.
Distance=∫00.601986(10e−2t−3) dt\text{Distance} = \int_0^{0.601986} (10e^{-2t} - 3) \, dt

3. Integrate the velocity function.

∫(10e−2t−3) dt=[10e−2t−2−3t]00.601986\int (10e^{-2t} - 3) \, dt = \left[ \frac{10e^{-2t}}{-2} - 3t \right]_0^{0.601986}
=[−5e−2t−3t]00.601986= \left[ -5e^{-2t} - 3t \right]_0^{0.601986}

4. Evaluate the definite integral to find the final distance.

=(−5e−2(0.601986)−3(0.601986))−(−5e0−0)= \left( -5e^{-2(0.601986)} - 3(0.601986) \right) - \left( -5e^0 - 0 \right)
=(−5(0.3)−1.805958)−(−5)= \left( -5(0.3) - 1.805958 \right) - (-5)
=−1.5−1.805958+5= -1.5 - 1.805958 + 5
=1.69404≈1.69 m (to 3 s.f.)= 1.69404 \approx 1.69 \text{ m (to 3 s.f.)}

答案

1.691.69 m

11(v)

1. State the property of the exponential function

For all real values of tt, e−2t>0e^{-2t} > 0.

2. Deduce the inequality for $v$

Since e−2t>0e^{-2t} > 0, it follows that 10e−2t>010e^{-2t} > 0.
Therefore, v=10e−2t−3>0−3=−3v = 10e^{-2t} - 3 > 0 - 3 = -3.

答案

Since e−2t>0e^{-2t} > 0 for all tt, 10e−2t>010e^{-2t} > 0, which means v=10e−2t−3>−3v = 10e^{-2t} - 3 > -3.

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