一辆在一条水平直路上来回行驶的踏板车以 p m s−1p\ \text{m s}^{-1} 的速度通过一个固定点 O。通过 O 点后 tt 秒,该踏板车的速度 v m s−1v\ \text{m s}^{-1} 由以下公式给出: v=7−8sin⁡13t.v = 7 - 8\sin \tfrac{1}{3}t.

  1. ((i))

    写出 pp 的值。

  2. ((ii))

    求出该踏板车前两次改变运动方向时的 tt 值。

  3. ((iii))

    求出该踏板车在第三秒内行驶的路程。

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完整解法

11((i))

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

At point O, t=0t = 0.
v=7−8sin⁡(0)v = 7 - 8\sin(0)
v=7−0=7v = 7 - 0 = 7

答案

p=7p = 7

11((ii))

1. Set velocity to zero to find when the scooter changes direction

v=0v = 0
7−8sin⁡(13t)=07 - 8\sin \left(\frac{1}{3}t\right) = 0
sin⁡(13t)=78\sin \left(\frac{1}{3}t\right) = \frac{7}{8}

2. Find the basic angle in radians

Basic angle=sin⁡−1(78)≈1.0654 rad\text{Basic angle} = \sin^{-1}\left(\frac{7}{8}\right) \approx 1.0654 \text{ rad}

3. Find the first value of $t$

13t=1.0654\frac{1}{3}t = 1.0654
t=3.1962≈3.20t = 3.1962 \approx 3.20

4. Find the second value of $t$

13t=π−1.0654\frac{1}{3}t = \pi - 1.0654
13t=2.0762\frac{1}{3}t = 2.0762
t=6.2286≈6.23t = 6.2286 \approx 6.23

答案

t=3.20t = 3.20 or t=6.23t = 6.23

11((iii))

1. Identify the time interval for the third second and verify the sign of velocity.

The third second corresponds to the time interval from t=2t = 2 to t=3t = 3.
From part (ii), the first time the scooter changes direction (v=0v = 0) is at t=3sin⁡−1(78)≈3.20 st = 3\sin^{-1}(\frac{7}{8}) \approx 3.20\text{ s}.
Since 3.20>33.20 > 3, the velocity does not change sign and remains positive during the interval 2⩽t⩽32 \leqslant t \leqslant 3.

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

Distance=∫23(7−8sin⁡13t) dt\text{Distance} = \int_{2}^{3} \left(7 - 8\sin \tfrac{1}{3}t\right) \, dt

3. Integrate the velocity function.

∫(7−8sin⁡13t) dt=7t−8(−cos⁡13t)13=7t+24cos⁡13t\int \left(7 - 8\sin \tfrac{1}{3}t\right) \, dt = 7t - \frac{8(-\cos \tfrac{1}{3}t)}{\frac{1}{3}} = 7t + 24\cos \tfrac{1}{3}t

4. Evaluate the definite integral.

Distance=[7t+24cos⁡13t]23\text{Distance} = \left[ 7t + 24\cos \tfrac{1}{3}t \right]_{2}^{3}
=(7(3)+24cos⁡1)−(7(2)+24cos⁡23)= \left( 7(3) + 24\cos 1 \right) - \left( 7(2) + 24\cos \tfrac{2}{3} \right)
=(21+12.967)−(14+18.861)= (21 + 12.967) - (14 + 18.861)
=33.967−32.861=1.106≈1.11 m= 33.967 - 32.861 = 1.106 \approx 1.11\text{ m}

答案

1.11 m1.11\text{ m}

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