一个质点 P 沿直线运动,在时间为 tt 秒时,其速度 vv m/s 由下式给出: v=cos⁡(π4t+π6)v = \cos\left(\dfrac{\pi}{4}t + \dfrac{\pi}{6}\right)。 P 相对于固定点 O 的初始位移为 1π\dfrac{1}{\pi} m。

  1. (a)

    求 P 的初始速度,给出你的精确值答案。

  2. (b)

    求 P 达到瞬时静止时 tt 的前两个值。

  3. (c)

    求 P 在前 4 秒内运动的路程。

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完整解法

7(a)

1. Substitute $t = 0$ into the velocity equation to find the initial velocity

When t=0t = 0,
v=cos⁡(π4(0)+π6)v = \cos\left(\frac{\pi}{4}(0) + \frac{\pi}{6}\right)
v=cos⁡(π6)v = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right)

2. Evaluate the exact value of the trigonometric function

v=32v = \frac{\sqrt{3}}{2}

答案

32\frac{\sqrt{3}}{2} m/s

7(b)

1. Set velocity to zero for instantaneous rest

v=cos⁡(π4t+π6)=0v = \cos\left(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6}\right) = 0

2. Find the first two positive angles where cosine is zero

π4t+π6=π2,3π2\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}

3. Solve for the corresponding values of t

For the first value:
π4t=π2−π6=π3\frac{\pi}{4}t = \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{3}
t=43t = \frac{4}{3}

For the second value:
π4t=3π2−π6=4π3\frac{\pi}{4}t = \frac{3\pi}{2} - \frac{\pi}{6} = \frac{4\pi}{3}
t=163t = \frac{16}{3}

答案

t=43t = \frac{4}{3} and t=163t = \frac{16}{3}

7(c)

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

s=∫cos⁡(π4t+π6)dts = \int \cos\left(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6}\right) dt
s=4πsin⁡(π4t+π6)+cs = \frac{4}{\pi} \sin\left(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6}\right) + c

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

When t=0t = 0, s=1πs = \frac{1}{\pi}.
1π=4πsin⁡(π6)+c\frac{1}{\pi} = \frac{4}{\pi} \sin\left(\frac{\pi}{6}\right) + c
1π=4π(12)+c\frac{1}{\pi} = \frac{4}{\pi} \left(\frac{1}{2}\right) + c
1π=2π+c\frac{1}{\pi} = \frac{2}{\pi} + c
c=−1πc = -\frac{1}{\pi}
So, s=4πsin⁡(π4t+π6)−1πs = \frac{4}{\pi} \sin\left(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6}\right) - \frac{1}{\pi}

3. Identify the times when the particle changes direction in the interval $0 \le t \le 4$.

From part (b), v=0v = 0 when π4t+π6=π2  ⟹  π4t=π3  ⟹  t=43\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{2} \implies \frac{\pi}{4}t = \frac{\pi}{3} \implies t = \frac{4}{3}.
The next time is when π4t+π6=3π2  ⟹  π4t=4π3  ⟹  t=163\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{6} = \frac{3\pi}{2} \implies \frac{\pi}{4}t = \frac{4\pi}{3} \implies t = \frac{16}{3}, which is outside the interval 0≤t≤40 \le t \le 4.
So the particle changes direction only at t=43t = \frac{4}{3} in the first 4 seconds.

4. Calculate the displacement at $t=0$, $t=\frac{4}{3}$, and $t=4$, and find the total distance.

At t=0t = 0, s0=1πs_0 = \frac{1}{\pi}.
At t=43t = \frac{4}{3}, s4/3=4πsin⁡(π2)−1π=4π(1)−1π=3πs_{4/3} = \frac{4}{\pi} \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) - \frac{1}{\pi} = \frac{4}{\pi}(1) - \frac{1}{\pi} = \frac{3}{\pi}.
At t=4t = 4, s4=4πsin⁡(π+π6)−1π=4π(−12)−1π=−2π−1π=−3πs_4 = \frac{4}{\pi} \sin\left(\pi + \frac{\pi}{6}\right) - \frac{1}{\pi} = \frac{4}{\pi} \left(-\frac{1}{2}\right) - \frac{1}{\pi} = -\frac{2}{\pi} - \frac{1}{\pi} = -\frac{3}{\pi}.

Distance travelled = ∣s4/3−s0∣+∣s4−s4/3∣|s_{4/3} - s_0| + |s_4 - s_{4/3}|
=∣3π−1π∣+∣−3π−3π∣= \left|\frac{3}{\pi} - \frac{1}{\pi}\right| + \left|-\frac{3}{\pi} - \frac{3}{\pi}\right|
=2π+6π=8π= \frac{2}{\pi} + \frac{6}{\pi} = \frac{8}{\pi} m.

答案

42π\frac{4\sqrt{2}}{\pi} m

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