一座半径为 15 m 的摩天轮每 3 分钟旋转一周。乘客在摩天轮的最低点上车,该点距离地面 1 m。假设乘客在上车点登车后摩天轮开始旋转。乘客登车 tt 分钟后距离地面的高度 hh m 可以用如下方程表示:h=−acos⁡bt+c.h = - a \cos b t + c.

  1. (a)

    求 aa、bb 和 cc 的值。

  2. (b)

    求出摩天轮在时刻 tt 的速度表达式,并由此推导出最大速度。

  3. (c)

    求当 t=1t = 1 时摩天轮的加速度大小。

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完整解法

14(a)

1. Determine the value of $a$ (amplitude).

The radius of the ferris wheel is 15 m, which corresponds to the amplitude of the cosine function.
a=15a = 15

2. Determine the value of $c$ (vertical shift).

The lowest point is 1 m above the ground. The minimum value of h=−acos⁡bt+ch = -a \cos bt + c occurs when cos⁡bt=1\cos bt = 1, giving h=−a+ch = -a + c.
−15+c=1-15 + c = 1
c=16c = 16

3. Determine the value of $b$ (related to period).

The ferris wheel completes one rotation every 3 minutes, so the period is 3.
Period =2πb=3= \frac{2\pi}{b} = 3
b=2π3b = \frac{2\pi}{3}

答案

a=15a = 15, b=2π3b = \frac{2\pi}{3}, c=16c = 16

14(b)

1. Recall the equation for $h$ from part (a) and differentiate it with respect to $t$ to find the velocity $v$.

From part (a), h=−15cos⁡(2π3t)+16h = -15 \cos\left(\frac{2\pi}{3}t\right) + 16.

v=dhdt=ddt[−15cos⁡(2π3t)+16]v = \frac{dh}{dt} = \frac{d}{dt}\left[-15 \cos\left(\frac{2\pi}{3}t\right) + 16\right]
v=−15[−sin⁡(2π3t)](2π3)v = -15 \left[-\sin\left(\frac{2\pi}{3}t\right)\right] \left(\frac{2\pi}{3}\right)
v=10πsin⁡(2π3t)v = 10\pi \sin\left(\frac{2\pi}{3}t\right)

2. Deduce the maximum speed from the velocity expression.

The maximum value of sin⁡(2π3t)\sin\left(\frac{2\pi}{3}t\right) is 11.
Therefore, the maximum speed is ∣v∣max⁡=10π(1)=10π|v|_{\max} = 10\pi(1) = 10\pi m/min.

答案

v=10πsin⁡(2π3t)v = 10\pi \sin\left(\frac{2\pi}{3}t\right), Maximum speed = 10π10\pi m/min

14(c)

1. Differentiate the velocity expression to find the acceleration function

From part (b), v=10πsin⁡(2π3t)v = 10\pi \sin\left(\frac{2\pi}{3}t\right).
a=dvdt=10π(2π3)cos⁡(2π3t)a = \frac{dv}{dt} = 10\pi \left(\frac{2\pi}{3}\right) \cos\left(\frac{2\pi}{3}t\right)
a=20π23cos⁡(2π3t)a = \frac{20\pi^2}{3} \cos\left(\frac{2\pi}{3}t\right)

2. Substitute $t = 1$ and find the magnitude of the acceleration

When t=1t = 1,
a=20π23cos⁡(2π3)a = \frac{20\pi^2}{3} \cos\left(\frac{2\pi}{3}\right)
a=20π23(−12)=−10π23a = \frac{20\pi^2}{3} \left(-\frac{1}{2}\right) = -\frac{10\pi^2}{3}
Magnitude of acceleration =∣−10π23∣=10π23≈32.9 m/min2= \left|-\frac{10\pi^2}{3}\right| = \frac{10\pi^2}{3} \approx 32.9 \text{ m/min}^2 (to 3 s.f.)

答案

32.9 m/min232.9 \text{ m/min}^2

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