一个质点在直线上运动,其离开固定点 OO 之后 tt 秒的速度 v ms−1v\text{ ms}^{-1} 由 v=10(3−e−12t)v = 10\left(3 - \mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}\right) 给出。

  1. (i)

    求当 v=23v = 23 时该质点的加速度。

  2. (ii)

    计算当 t=5t = 5 时该质点相对于 OO 的位移(精确到最接近的米)。

  3. (iii)

    写出当 tt 趋于无穷大时,vv 趋近的值。

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完整解法

13(i)

1. Find the value of $e^{-\frac{1}{2}t}$ when $v = 23$.

23=10(3−e−12t)23 = 10\left(3 - \mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}\right)
2.3=3−e−12t2.3 = 3 - \mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}
e−12t=0.7\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t} = 0.7

2. Differentiate velocity with respect to time to find the acceleration function.

v=30−10e−12tv = 30 - 10\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}
a=dvdt=−10(−12)e−12ta = \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = -10\left(-\frac{1}{2}\right)\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}
a=5e−12ta = 5\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}

3. Calculate the acceleration when $v = 23$.

a=5(0.7)a = 5(0.7)
a=3.5a = 3.5

答案

3.5 ms−23.5\text{ ms}^{-2}

13(ii)

1. Set up the integral for displacement

The displacement ss is the integral of velocity vv with respect to time tt.
s=∫0510(3−e−12t) dts = \int_{0}^{5} 10\left(3 - \mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}\right) \, dt

2. Integrate the velocity function

s=[30t−10(e−12t−12)]05s = \left[ 30t - 10\left(\frac{\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t}}{-\frac{1}{2}}\right) \right]_{0}^{5}
s=[30t+20e−12t]05s = \left[ 30t + 20\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t} \right]_{0}^{5}

3. Evaluate the definite integral and round to the nearest metre

s=(30(5)+20e−52)−(30(0)+20e0)s = \left( 30(5) + 20\mathrm{e}^{-\frac{5}{2}} \right) - \left( 30(0) + 20\mathrm{e}^{0} \right)
s=150+20e−2.5−20s = 150 + 20\mathrm{e}^{-2.5} - 20
s=130+20e−2.5s = 130 + 20\mathrm{e}^{-2.5}
s≈131.6417s \approx 131.6417
To the nearest metre, s=132 ms = 132\text{ m}.

答案

132 m132\text{ m}

13(iii)

1. Determine the limit of the exponential term as t approaches infinity

As t→∞t \to \infty, e−12t→0\mathrm{e}^{-\frac{1}{2}t} \to 0.

2. Calculate the limiting value of v

v→10(3−0)=30v \to 10(3 - 0) = 30

答案

3030

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