一个质点沿直线运动,在经过定点 OO 之后 tt 秒,其加速度 a ms−2a\text{ ms}^{-2} 由 a=−12e2ta = -12e^{2t} 给出。初始速度为 9 ms−19\text{ ms}^{-1}。

  1. (i)

    证明该质点在 t=12ln⁡156t = \frac{1}{2}\ln\frac{15}{6} 时瞬时静止。

  2. (ii)

    求该质点相对于 OO 的位移关于 tt 的表达式。
    由此,求该质点返回 OO 时所运动的总路程。

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完整解法

10(i)

1. Integrate the acceleration function to find the velocity function

v=∫a dtv = \int a \, dt
v=∫−12e2t dtv = \int -12e^{2t} \, dt
v=−6e2t+Cv = -6e^{2t} + C

2. Use the initial condition to find the constant of integration

Given initial velocity is 9 ms−19\text{ ms}^{-1}, so when t=0t = 0, v=9v = 9.
9=−6e2(0)+C9 = -6e^{2(0)} + C
9=−6(1)+C9 = -6(1) + C
C=15C = 15
v=15−6e2tv = 15 - 6e^{2t}

3. Set velocity to zero to find the time when the particle is instantaneously at rest

When the particle is instantaneously at rest, v=0v = 0.
15−6e2t=015 - 6e^{2t} = 0
6e2t=156e^{2t} = 15
e2t=156e^{2t} = \frac{15}{6}

4. Solve for $t$ to show the required result

2t=ln⁡(156)2t = \ln\left(\frac{15}{6}\right)
t=12ln⁡(156)t = \frac{1}{2}\ln\left(\frac{15}{6}\right) (shown)

答案

Shown that t=12ln⁡156t = \frac{1}{2}\ln\frac{15}{6}.

10(ii)

1. Find the expression for velocity $v$ by integrating acceleration $a$.

v=∫−12e2t dt=−6e2t+Cv = \int -12e^{2t} \, dt = -6e^{2t} + C
Given v=9v = 9 when t=0t = 0:
9=−6e0+C  ⟹  C=159 = -6e^{0} + C \implies C = 15
v=15−6e2tv = 15 - 6e^{2t}

2. Find the expression for displacement $s$ by integrating velocity $v$.

s=∫(15−6e2t) dt=15t−3e2t+Ds = \int (15 - 6e^{2t}) \, dt = 15t - 3e^{2t} + D
Since the particle starts at OO, s=0s = 0 when t=0t = 0:
0=15(0)−3e0+D  ⟹  D=30 = 15(0) - 3e^{0} + D \implies D = 3
s=15t−3e2t+3s = 15t - 3e^{2t} + 3

3. Calculate the maximum displacement from $O$.

The particle is instantaneously at rest at t=12ln⁡156=12ln⁡2.5t = \frac{1}{2}\ln\frac{15}{6} = \frac{1}{2}\ln 2.5 (from part i).
Maximum displacement, smax=15(12ln⁡2.5)−3e2(12ln⁡2.5)+3s_{max} = 15\left(\frac{1}{2}\ln 2.5\right) - 3e^{2\left(\frac{1}{2}\ln 2.5\right)} + 3
smax=7.5ln⁡2.5−3(2.5)+3s_{max} = 7.5\ln 2.5 - 3(2.5) + 3
smax=7.5ln⁡2.5−4.5s_{max} = 7.5\ln 2.5 - 4.5

4. Determine the total distance travelled when the particle returns to $O$.

The particle moves from OO to smaxs_{max} and then reverses direction to return to OO.
Total distance =2×smax= 2 \times s_{max}
=2(7.5ln⁡2.5−4.5)= 2(7.5\ln 2.5 - 4.5)
=15ln⁡2.5−9≈4.74 m= 15\ln 2.5 - 9 \approx 4.74 \text{ m}

答案

s=15t−3e2t+3s = 15t - 3e^{2t} + 3
Total distance =15ln⁡2.5−9= 15\ln 2.5 - 9 m (or 4.744.74 m)

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