一质点从点 O 出发并在一条直线上运动,其速度 vv m/s 由 v=5−e3−2tv = 5 - e^{3-2t} 给出,其中 tt 是离开 O 后的时间(以秒为单位)。

  1. (a)

    求质点瞬时静止时的 tt 值。

  2. (b)

    计算质点在第一秒内行驶的距离。

  3. (c)

    解释为什么该质点的速度不能超过某个特定值。

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完整解法

8(a)

1. Set velocity to zero for instantaneous rest

For the particle to be instantaneously at rest, v=0v = 0.
5−e3−2t=05 - e^{3-2t} = 0
e3−2t=5e^{3-2t} = 5

2. Solve the exponential equation using natural logarithms

Take the natural logarithm (ln⁡\ln) of both sides:
3−2t=ln⁡53 - 2t = \ln 5
2t=3−ln⁡52t = 3 - \ln 5

3. Calculate the final value of $t$

t=3−ln⁡52t = \frac{3 - \ln 5}{2}
t≈0.69528t \approx 0.69528
t=0.695 (to 3 s.f.)t = 0.695 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

t=0.695t = 0.695

8(b)

1. Identify the time when the particle is at rest (from part a) to split the distance calculation.

From part (a), v=0v = 0 when 5−e3−2t=05 - e^{3-2t} = 0.
e3−2t=5  ⟹  3−2t=ln⁡5  ⟹  t=3−ln⁡52≈0.69534e^{3-2t} = 5 \implies 3 - 2t = \ln 5 \implies t = \frac{3 - \ln 5}{2} \approx 0.69534 s.
Since 0<0.69534<10 < 0.69534 < 1, the particle changes direction within the first second.

2. Find the displacement function $s(t)$ by integrating the velocity.

s(t)=∫(5−e3−2t) dts(t) = \int (5 - e^{3-2t}) \, dt
s(t)=5t−e3−2t−2=5t+12e3−2ts(t) = 5t - \frac{e^{3-2t}}{-2} = 5t + \frac{1}{2}e^{3-2t}

3. Evaluate the displacement at $t = 0$, $t = \frac{3 - \ln 5}{2}$, and $t = 1$.

Let t1=3−ln⁡52t_1 = \frac{3 - \ln 5}{2}.
s(0)=5(0)+12e3=12e3≈10.0428s(0) = 5(0) + \frac{1}{2}e^3 = \frac{1}{2}e^3 \approx 10.0428
s(t1)=5(3−ln⁡52)+12e3−2t1=7.5−2.5ln⁡5+12(5)=10−2.5ln⁡5≈5.9764s(t_1) = 5\left(\frac{3 - \ln 5}{2}\right) + \frac{1}{2}e^{3-2t_1} = 7.5 - 2.5\ln 5 + \frac{1}{2}(5) = 10 - 2.5\ln 5 \approx 5.9764
s(1)=5(1)+12e3−2(1)=5+12e≈6.3591s(1) = 5(1) + \frac{1}{2}e^{3-2(1)} = 5 + \frac{1}{2}e \approx 6.3591

4. Calculate the total distance travelled.

Distance =∣s(t1)−s(0)∣+∣s(1)−s(t1)∣= |s(t_1) - s(0)| + |s(1) - s(t_1)|
=∣5.9764−10.0428∣+∣6.3591−5.9764∣= |5.9764 - 10.0428| + |6.3591 - 5.9764|
=4.0664+0.3827= 4.0664 + 0.3827
=4.4491≈4.45= 4.4491 \approx 4.45 m (to 3 s.f.)

答案

4.454.45 m

8(c)

1. Identify the range of the exponential term

For all real values of tt, the exponential function is always positive, so e3−2t>0e^{3-2t} > 0.

2. Deduce the upper bound for the velocity

Since we are subtracting a positive value from 5, v=5−e3−2t<5v = 5 - e^{3-2t} < 5. Thus, the velocity cannot exceed 5 m/s.

答案

Since e3−2t>0e^{3-2t} > 0 for all tt, v=5−e3−2tv = 5 - e^{3-2t} must always be strictly less than 5. Therefore, the velocity cannot exceed 5 m/s.

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