一个质点在一条直线上运动,其上有一固定点 OO。质点的速度 vv m/s 由 v=252t+1+10v = \dfrac{25}{2t+1} + 10 给出,其中 tt 是通过 OO 后的时间(以秒为单位)。

  1. ((a))

    解释为什么该质点从未改变其运动方向,并且最终将以接近 10 m/s 的速度运动。

  2. ((b))

    求质点在 t=2t = 2 时的加速度。

  3. ((c))

    计算质点在运动的第五秒内所走过的路程。

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完整解法

9((a))

1. Explain why the particle never changes its direction of motion

For t≥0t \ge 0, 2t+1>02t+1 > 0, which means 252t+1>0\frac{25}{2t+1} > 0.
Therefore, v=252t+1+10>10>0v = \frac{25}{2t+1} + 10 > 10 > 0 for all t≥0t \ge 0.
Since the velocity vv is always positive, the particle never changes its direction of motion.

2. Explain why the speed eventually approaches 10 m/s

As time tt becomes very large (t→∞t \to \infty), the denominator 2t+12t+1 becomes very large, so the term 252t+1\frac{25}{2t+1} approaches 00.
Thus, v→0+10=10v \to 0 + 10 = 10.
Therefore, the particle will eventually travel at a speed close to 1010 m/s.

答案

For t≥0t \ge 0, v>0v > 0, so the particle never changes direction. As t→∞t \to \infty, 252t+1→0\frac{25}{2t+1} \to 0, so v→10v \to 10 m/s.

9((b))

1. Differentiate the velocity function to find the acceleration function

v=25(2t+1)−1+10v = 25(2t+1)^{-1} + 10

a=dvdt=25(−1)(2t+1)−2(2)a = \frac{dv}{dt} = 25(-1)(2t+1)^{-2}(2)

a=−50(2t+1)−2=−50(2t+1)2a = -50(2t+1)^{-2} = -\frac{50}{(2t+1)^2}

2. Evaluate the acceleration at $t = 2$

When t=2t = 2,
a=−50(2(2)+1)2a = -\frac{50}{(2(2)+1)^2}
a=−5052a = -\frac{50}{5^2}
a=−5025=−2a = -\frac{50}{25} = -2

答案

−2 m/s2-2\text{ m/s}^2

9((c))

1. Set up the definite integral for the distance travelled in the fifth second.

The fifth second is the time interval from t=4t = 4 to t=5t = 5. Since v>0v > 0 for all t≥0t \ge 0, the distance is given by:
Distance=∫45(252t+1+10)dt\text{Distance} = \int_{4}^{5} \left( \frac{25}{2t+1} + 10 \right) dt

2. Integrate the velocity function.

∫(252t+1+10)dt=252ln⁡(2t+1)+10t\int \left( \frac{25}{2t+1} + 10 \right) dt = \frac{25}{2} \ln(2t+1) + 10t

3. Evaluate the definite integral using the limits.

Distance=[252ln⁡(2t+1)+10t]45\text{Distance} = \left[ \frac{25}{2} \ln(2t+1) + 10t \right]_{4}^{5}
=(252ln⁡(11)+50)−(252ln⁡(9)+40)= \left( \frac{25}{2} \ln(11) + 50 \right) - \left( \frac{25}{2} \ln(9) + 40 \right)
=252(ln⁡11−ln⁡9)+10= \frac{25}{2} (\ln 11 - \ln 9) + 10
=12.5ln⁡(119)+10= 12.5 \ln\left(\frac{11}{9}\right) + 10

4. Calculate the final numerical value.

Distance≈12.508≈12.5 m (to 3 s.f.)\text{Distance} \approx 12.508 \approx 12.5 \text{ m (to 3 s.f.)}

答案

12.512.5 m

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