题目
x A图示雷达在距离火箭发射台为l的O处观察铅垂上升的火箭发射,测得角θ的规律为θ=kt(k为常数).写出火箭的运动方程,并计算当θ=(π)/(6)和(π)/(3)时火箭的速度和加速度.
图示雷达在距离火箭发射台为l的O处观察铅垂上升的火箭发射,测得角θ的规律为θ=kt(k为常数).写出火箭的运动方程,并计算当θ=$\frac{π}{6}$和$\frac{π}{3}$时火箭的速度和加速度.题目解答
答案
解:x=l,火箭的运动方程y=ltanθ=ltankt
分别对t求一次导数及二次导数
$\stackrel{•}{y}$=lksec2kt,
$\stackrel{••}{y}$=2lksec2kttankt
当θ=$\frac{π}{6}$时,v=$\frac{4}{3}$lk,a=$\frac{8\sqrt{3}}{9}$lk2
当θ=$\frac{π}{3}$时,v=4lk,a=8$\sqrt{3}$lk2
答:当θ=$\frac{π}{6}$时,火箭的速度是$\frac{4}{3}$lk,加速度$\frac{8\sqrt{3}}{9}$lk2;
当θ=$\frac{π}{3}$时,火箭的速度是4lk,加速度8$\sqrt{3}$lk2.
分别对t求一次导数及二次导数
$\stackrel{•}{y}$=lksec2kt,
$\stackrel{••}{y}$=2lksec2kttankt
当θ=$\frac{π}{6}$时,v=$\frac{4}{3}$lk,a=$\frac{8\sqrt{3}}{9}$lk2
当θ=$\frac{π}{3}$时,v=4lk,a=8$\sqrt{3}$lk2
答:当θ=$\frac{π}{6}$时,火箭的速度是$\frac{4}{3}$lk,加速度$\frac{8\sqrt{3}}{9}$lk2;
当θ=$\frac{π}{3}$时,火箭的速度是4lk,加速度8$\sqrt{3}$lk2.
解析
考查要点:本题主要考查利用三角函数建立运动方程,以及通过求导计算速度和加速度的能力。关键在于正确建立直角三角形模型,将角度θ与火箭高度y关联,并熟练应用三角函数的导数公式。
解题思路:
- 几何建模:根据题意,雷达与发射台距离为$l$,火箭垂直上升形成直角三角形,利用$\tan\theta = \frac{y}{l}$建立运动方程。
- 求导运算:对运动方程依次求一阶导数(速度)和二阶导数(加速度),需注意链式法则和三角函数导数公式的应用。
- 代入计算:将$\theta = \frac{\pi}{6}$和$\frac{\pi}{3}$代入导数表达式,结合三角函数值计算具体结果。
建立运动方程
根据几何关系,$\tan\theta = \frac{y}{l}$,代入$\theta = kt$得:
$y = l \tan(kt)$
求速度和加速度
- 速度(一阶导数):
$\dot{y} = \frac{d}{dt} \left[ l \tan(kt) \right] = l \cdot k \sec^2(kt)$ - 加速度(二阶导数):
$\ddot{y} = \frac{d}{dt} \left[ lk \sec^2(kt) \right] = lk \cdot 2k \sec^2(kt) \tan(kt) = 2lk^2 \sec^2(kt) \tan(kt)$
代入具体角度计算
当$\theta = \frac{\pi}{6}$时
- 三角函数值:
$\tan\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{1}{\sqrt{3}}, \quad \sec\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{2}{\sqrt{3}}$ - 速度:
$\dot{y} = lk \left( \frac{2}{\sqrt{3}} \right)^2 = \frac{4}{3}lk$ - 加速度:
$\ddot{y} = 2lk^2 \left( \frac{2}{\sqrt{3}} \right)^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{8\sqrt{3}}{9}lk^2$
当$\theta = \frac{\pi}{3}$时
- 三角函数值:
$\tan\left(\frac{\pi}{3}\right) = \sqrt{3}, \quad \sec\left(\frac{\pi}{3}\right) = 2$ - 速度:
$\dot{y} = lk \cdot 2^2 = 4lk$ - 加速度:
$\ddot{y} = 2lk^2 \cdot 2^2 \cdot \sqrt{3} = 8\sqrt{3}lk^2$