一个小金属球从一个高圆柱形容器内的液体表面被释放。金属球在液体中垂直下落,并测得在时间 秒内小球下落的距离为 cm。小球在时间 秒时的速度为 。释放小球的方式使得当 时, 且 。
- (a)
小球的运动可以用微分方程来建模:
已知 。
- (i)
证明该微分方程可以写为
- (ii)
利用 (a)(i) 中的微分方程,求用 表示 的表达式。由此求用 表示 的表达式。
- (i)
- (b)
现在将该金属球放入另一个装有不同液体的高圆柱形容器中释放。然而,对于这种液体,小球的运动由微分方程建模:
其中 是一个正常数。
已知当 时, 且 。
- (i)
求用 和 表示 的表达式。
- (ii)
当小球在这种液体中下落时,其速度将接近其“收尾速度”,即在很长一段时间后达到的速度。求用 表示的小球收尾速度。你必须写出充分的步骤来解释你的答案。
- (i)
它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的
完整解法
11(a)(i)
1. Express the second derivative of $x$ in terms of $v$.
Given , differentiating both sides with respect to yields:
2. Substitute into the original differential equation and rearrange to obtain the required form.
Substitute and into the given differential equation:
(shown)
11(a)(ii)
1. Separate variables and integrate the differential equation to find a relation for $v$
2. Apply the initial condition to find the constant and express $v$ explicitly in terms of $t$
Given when :
Since initially and , velocity is increasing but bounded below 20, so . We drop the modulus:
3. Substitute $v = \frac{dx}{dt}$ and integrate to find an expression for $x$
4. Apply the initial condition to find the constant and express $x$ exactly in terms of $t$
Given when :
11(b)(i)
1. Separate the variables to set up the integrals.
2. Integrate both sides using the standard formula for $\int \frac{1}{a^2 - x^2} \,dx$.
Factor out in the denominator to match the standard form:
3. Use the initial conditions to find the constant of integration.
Given that when :
4. Make $v$ the subject of the formula.
Since starts at and the liquid exerts resistance, the term inside the modulus is positive:
11(b)(ii)
1. Concise derivation of $v$ in terms of $t$ (result needed from part (b)(i)).
From part (b)(i), separating variables for :
Using when , we find . Rearranging yields:
2. Evaluate the limit of $v$ as $t \to \infty$ to determine the terminal speed.
The terminal speed is attained after a long time, so we evaluate the limit as .
Since is a given positive constant (), the exponent as .
Thus, .
Substituting this limit into the expression for :
(Note: An alternative acceptable justification is to state that as terminal speed is reached, approaches a constant and acceleration . Solving directly yields .)
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