一质点从定点 OO 由静止开始沿直线向点 AA 运动。在离开 OO 点 tt 秒后,其速度 vv m/s 由 v=6−4e−2tv = 6 - 4e^{-2t} 给出。
当 t=ln⁡2t = \ln 2 时,质点到达 AA。

  1. (i)

    求质点在 OO 处的速度。

  2. (ii)

    求质点在 AA 处的加速度。

  3. (iii)

    解释为什么质点永远不会静止。

  4. (iv)

    求 OO 和 AA 之间的距离。

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完整解法

4(i)

1. Substitute $t = 0$ into $v$ and evaluate

At OO, t=0t = 0:
v=6−4e−2(0)=6−4e0=6−4(1)=2v = 6 - 4e^{-2(0)} = 6 - 4e^{0} = 6 - 4(1) = 2
So the velocity at OO is 22 m/s.

答案

22 m/s

4(ii)

1. Differentiate the velocity function to find the acceleration function

a=dvdt=ddt(6−4e−2t)a = \frac{dv}{dt} = \frac{d}{dt}(6 - 4e^{-2t})
a=−4(−2)e−2t=8e−2ta = -4(-2)e^{-2t} = 8e^{-2t}

2. Substitute $t = \ln 2$ into the acceleration function

At AA, t=ln⁡2t = \ln 2.
a=8e−2(ln⁡2)a = 8e^{-2(\ln 2)}
a=8eln⁡(2−2)a = 8e^{\ln(2^{-2})}
a=8(2−2)=8×14=2a = 8(2^{-2}) = 8 \times \frac{1}{4} = 2

答案

2 m/s22\text{ m/s}^2

4(iii)

1. Analyse the range of the exponential term to determine the minimum possible velocity.

For all t⩾0t \geqslant 0, e−2t⩽1e^{-2t} \leqslant 1 and e−2t>0e^{-2t} > 0.
Therefore, 4e−2t⩽44e^{-2t} \leqslant 4.
v=6−4e−2t⩾6−4=2v = 6 - 4e^{-2t} \geqslant 6 - 4 = 2.

2. Conclude that the velocity is always positive.

Since v⩾2v \geqslant 2 for all t⩾0t \geqslant 0, vv is never equal to 00. Hence, the particle never comes to rest.

答案

Since e−2t>0e^{-2t} > 0 for all tt, 4e−2t>04e^{-2t} > 0. Thus v=6−4e−2t>6−4=2v = 6 - 4e^{-2t} > 6 - 4 = 2. Since v>2v > 2 for all tt, vv can never be 00, so the particle never comes to rest.

4(iv)

1. Set up the definite integral for the distance from $O$ to $A$.

The distance ss is given by the integral of velocity from t=0t = 0 to t=ln⁡2t = \ln 2:
s=∫0ln⁡2(6−4e−2t) dts = \int_0^{\ln 2} (6 - 4e^{-2t}) \, dt

2. Integrate the velocity function.

s=[6t−4e−2t−2]0ln⁡2s = \left[ 6t - \frac{4e^{-2t}}{-2} \right]_0^{\ln 2}
s=[6t+2e−2t]0ln⁡2s = \left[ 6t + 2e^{-2t} \right]_0^{\ln 2}

3. Evaluate the definite integral using the limits.

Substitute t=ln⁡2t = \ln 2:
6(ln⁡2)+2e−2ln⁡2=6ln⁡2+2eln⁡(2−2)=6ln⁡2+2(14)=6ln⁡2+0.56(\ln 2) + 2e^{-2\ln 2} = 6\ln 2 + 2e^{\ln(2^{-2})} = 6\ln 2 + 2\left(\frac{1}{4}\right) = 6\ln 2 + 0.5

Substitute t=0t = 0:
6(0)+2e0=26(0) + 2e^0 = 2

Calculate the difference:
s=(6ln⁡2+0.5)−2s = (6\ln 2 + 0.5) - 2
s=6ln⁡2−1.5s = 6\ln 2 - 1.5
s≈2.66 m (to 3 s.f.)s \approx 2.66 \text{ m (to 3 s.f.)}

答案

6ln⁡2−1.56\ln 2 - 1.5 m (or 2.662.66 m)

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