一个质点从点 P 向点 O 运动。在通过点 P 之后 tt 秒,质点的速度可以用公式 v=(k−2t)nv = (k - 2t)^n 来建模,其中 kk 和 nn 是常数。 当 t=3.5t = 3.5 时,质点的速度为 27 m/s;当 t=8t = 8 时,质点在点 O 右侧 4.8 米处瞬时静止。

  1. (a)

    求用 kk、tt 和 nn 表示的质点加速度的表达式。

  2. (b)

    求 kk 和 nn 的值。

  3. (c)

    利用在 (b) 部分中求得的 kk 和 nn 的值,求质点在前 8 秒内运动的总路程。

  4. (d)

    解释所给模型是否可以在 8 秒后继续描述该质点的运动。

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完整解法

11(a)

1. Differentiate the velocity function with respect to time to find acceleration

a=dvdt=n(k−2t)n−1⋅ddt(k−2t)a = \frac{dv}{dt} = n(k - 2t)^{n-1} \cdot \frac{d}{dt}(k - 2t)
a=−2n(k−2t)n−1a = -2n(k - 2t)^{n-1}

答案

a=−2n(k−2t)n−1a = -2n(k - 2t)^{n-1}

11(b)

1. Use the condition for instantaneous rest to find $k$.

The particle comes to instantaneous rest when t=8t = 8, so v=0v = 0.
(k−2(8))n=0(k - 2(8))^n = 0
k−16=0k - 16 = 0
k=16k = 16

2. Use the given speed at $t = 3.5$ to form an equation for $n$.

When t=3.5t = 3.5, v=27v = 27. Substituting k=16k = 16:
27=(16−2(3.5))n27 = (16 - 2(3.5))^n
27=(16−7)n27 = (16 - 7)^n
27=9n27 = 9^n

3. Solve the exponential equation to find $n$.

33=(32)n3^3 = (3^2)^n
33=32n3^3 = 3^{2n}
2n=32n = 3
n=1.5n = 1.5

答案

k=16k = 16, n=1.5n = 1.5

11(c)

1. State the velocity function using the values of $k$ and $n$ from part (b)

From part (b), k=16k = 16 and n=1.5n = 1.5.
v=(16−2t)1.5v = (16 - 2t)^{1.5}

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

Since v≥0v \ge 0 for 0≤t≤80 \le t \le 8, the particle does not change direction.
Distance=∫08(16−2t)1.5 dt\text{Distance} = \int_{0}^{8} (16 - 2t)^{1.5} \, dt

3. Integrate the velocity function

∫(16−2t)1.5 dt=(16−2t)2.52.5×(−2)=−(16−2t)2.55\int (16 - 2t)^{1.5} \, dt = \frac{(16 - 2t)^{2.5}}{2.5 \times (-2)} = -\frac{(16 - 2t)^{2.5}}{5}

4. Evaluate the definite integral

Distance=[−(16−2t)2.55]08\text{Distance} = \left[ -\frac{(16 - 2t)^{2.5}}{5} \right]_{0}^{8}
=(−05)−(−162.55)= \left( -\frac{0}{5} \right) - \left( -\frac{16^{2.5}}{5} \right)
=0−(−10245)=204.8= 0 - \left( -\frac{1024}{5} \right) = 204.8

答案

204.8 m204.8\text{ m}

11(d)

1. Determine the expression for $v$ using the values of $k$ and $n$ from part (b) and evaluate its validity for $t > 8$.

From part (b), k=16k = 16 and n=1.5n = 1.5, so v=(16−2t)1.5v = (16 - 2t)^{1.5}.
For t>8t > 8, 16−2t<016 - 2t < 0.

2. Conclude whether the model can continue to describe the motion.

Since 16−2t16 - 2t is negative for t>8t > 8, (16−2t)1.5(16 - 2t)^{1.5} involves the square root of a negative number, which is undefined. Therefore, the model cannot continue to describe the motion.

答案

No, because for t>8t > 8, 16−2t<016 - 2t < 0, which makes v=(16−2t)1.5v = (16 - 2t)^{1.5} undefined.

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