在直线上运动的质点,通过定点 OO 后 tt 秒的速度 v ms−1v\text{ ms}^{-1} 由 v=3t+1−t+13v = \frac{3}{t+1} - \frac{t+1}{3} 给出。已知质点在点 AA 处瞬时静止。

  1. (a)

    求到达点 AA 所需的时间。

  2. (b)

    计算距离 OAOA。

  3. (c)

    证明质点在首次通过 OO 后的第五秒内的某个时刻再次位于 OO。

  4. (d)

    求当 t=5t = 5 时质点的加速度。

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完整解法

9(a)

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

v=0v = 0
3t+1−t+13=0\frac{3}{t+1} - \frac{t+1}{3} = 0

2. Solve the resulting equation for $t$

3t+1=t+13\frac{3}{t+1} = \frac{t+1}{3}
(t+1)2=9(t+1)^2 = 9
t+1=±3t+1 = \pm 3
t=2ort=−4t = 2 \quad \text{or} \quad t = -4

3. Reject the invalid time value and state the final answer

Since t⩾0t \geqslant 0, t=−4t = -4 is rejected.
t=2t = 2

答案

2 s2\text{ s}

9(b)

1. Find the time $t$ when the particle is at $A$ (from part a)

At AA, v=0v = 0.
3t+1−t+13=0\frac{3}{t+1} - \frac{t+1}{3} = 0
3t+1=t+13\frac{3}{t+1} = \frac{t+1}{3}
(t+1)2=9(t+1)^2 = 9
t+1=3t+1 = 3 (since t≥0t \ge 0)
t=2t = 2

2. Set up the definite integral for displacement

Distance OA=∫02v dtOA = \int_0^2 v \, dt
s=∫02(3t+1−t+13) dts = \int_0^2 \left( \frac{3}{t+1} - \frac{t+1}{3} \right) \, dt

3. Integrate the velocity function

∫(3t+1−13(t+1)) dt=3ln⁡(t+1)−13(t+1)22=3ln⁡(t+1)−(t+1)26\int \left( \frac{3}{t+1} - \frac{1}{3}(t+1) \right) \, dt = 3\ln(t+1) - \frac{1}{3} \frac{(t+1)^2}{2} = 3\ln(t+1) - \frac{(t+1)^2}{6}

4. Evaluate the definite integral

s=[3ln⁡(t+1)−(t+1)26]02s = \left[ 3\ln(t+1) - \frac{(t+1)^2}{6} \right]_0^2
=(3ln⁡3−96)−(3ln⁡1−16)= \left( 3\ln 3 - \frac{9}{6} \right) - \left( 3\ln 1 - \frac{1}{6} \right)
=3ln⁡3−32−0+16= 3\ln 3 - \frac{3}{2} - 0 + \frac{1}{6}
=3ln⁡3−86= 3\ln 3 - \frac{8}{6}
=3ln⁡3−43≈1.9626= 3\ln 3 - \frac{4}{3} \approx 1.9626

答案

3ln⁡3−43 m3\ln 3 - \frac{4}{3}\text{ m} or 1.96 m1.96\text{ m}

9(c)

1. Find the expression for displacement $s$ in terms of $t$.

s=∫v dt=∫(3t+1−t+13)dts = \int v \, dt = \int \left( \frac{3}{t+1} - \frac{t+1}{3} \right) dt
s=3ln⁡(t+1)−(t+1)26+cs = 3 \ln(t+1) - \frac{(t+1)^2}{6} + c

2. Find the constant of integration $c$.

When t=0t = 0, s=0s = 0 (since it passes through OO at t=0t=0).
0=3ln⁡(1)−126+c0 = 3 \ln(1) - \frac{1^2}{6} + c
0=0−16+c  ⟹  c=160 = 0 - \frac{1}{6} + c \implies c = \frac{1}{6}
So, s=3ln⁡(t+1)−(t+1)26+16s = 3 \ln(t+1) - \frac{(t+1)^2}{6} + \frac{1}{6}.

3. Evaluate displacement at the start and end of the fifth second ($t=4$ and $t=5$).

At t=4t = 4:
s(4)=3ln⁡(5)−256+16=3ln⁡5−4≈4.828−4=0.828>0s(4) = 3 \ln(5) - \frac{25}{6} + \frac{1}{6} = 3 \ln 5 - 4 \approx 4.828 - 4 = 0.828 > 0

At t=5t = 5:
s(5)=3ln⁡(6)−366+16=3ln⁡6−356≈5.375−5.833=−0.458<0s(5) = 3 \ln(6) - \frac{36}{6} + \frac{1}{6} = 3 \ln 6 - \frac{35}{6} \approx 5.375 - 5.833 = -0.458 < 0

4. Conclude that the particle passes through $O$ during the fifth second.

Since s(4)>0s(4) > 0 and s(5)<0s(5) < 0, and s(t)s(t) is continuous, there must be some instant tt between 4 and 5 where s(t)=0s(t) = 0. Thus, the particle is again at OO during the fifth second.

答案

Since s(4)>0s(4) > 0 and s(5)<0s(5) < 0, the particle passes through OO (s=0s=0) between t=4t=4 and t=5t=5, which is during the fifth second.

9(d)

1. Differentiate the velocity function to find the expression for acceleration

v=3(t+1)−1−13(t+1)v = 3(t+1)^{-1} - \frac{1}{3}(t+1)

a=dvdt=−3(t+1)−2−13a = \frac{dv}{dt} = -3(t+1)^{-2} - \frac{1}{3}
a=−3(t+1)2−13a = -\frac{3}{(t+1)^2} - \frac{1}{3}

2. Substitute $t = 5$ to find the acceleration

When t=5t = 5,
a=−3(5+1)2−13a = -\frac{3}{(5+1)^2} - \frac{1}{3}
a=−336−13a = -\frac{3}{36} - \frac{1}{3}
a=−112−412a = -\frac{1}{12} - \frac{4}{12}
a=−512a = -\frac{5}{12}

答案

−512 ms−2-\frac{5}{12}\text{ ms}^{-2}

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