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物理
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质点的运动方程为x=−10t+30t2和y=15t−20t2,式中x,y的单位为m,t的单位为s.试求:(1)初速度的大小和方向.(2)加速度的大小和方向.

质点的运动方程为x=−10t+30t2和y=15t−20t2,式中x,y的单位为m,t的单位为s.试求:

(1)

初速度的大小和方向.

(2)

加速度的大小和方向.

题目解答

答案

  • (1)

    初速度大小10m/s,方向与正方向相反,初速度15m/s,方向与正方向相同.

  • (2)

    加速度大小60m/s2方向与正方向相同,40m/s2方向与正方向相反

解析

步骤 1:计算初速度
根据运动方程x=−10t+30t^2和y=15t−20t^2,初速度是t=0时的速度。速度是位置对时间的导数,因此我们对x和y关于t求导。
步骤 2:计算x方向的初速度
对x关于t求导,得到v_x = dx/dt = -10 + 60t。将t=0代入,得到v_x(0) = -10 m/s。
步骤 3:计算y方向的初速度
对y关于t求导,得到v_y = dy/dt = 15 - 40t。将t=0代入,得到v_y(0) = 15 m/s。
步骤 4:计算初速度的大小
初速度的大小是v_x和v_y的平方和的平方根,即v = sqrt(v_x^2 + v_y^2)。将v_x(0)和v_y(0)代入,得到v = sqrt((-10)^2 + (15)^2) = sqrt(100 + 225) = sqrt(325) = 5sqrt(13) m/s。
步骤 5:计算初速度的方向
初速度的方向是v_x和v_y的比值的反正切,即θ = atan(v_y/v_x)。将v_x(0)和v_y(0)代入,得到θ = atan(15/-10) = atan(-1.5)。由于v_x为负,v_y为正,初速度的方向在第二象限,θ = atan(-1.5) + π。
步骤 6:计算加速度
加速度是速度对时间的导数,因此我们对v_x和v_y关于t求导。
步骤 7:计算x方向的加速度
对v_x关于t求导,得到a_x = dv_x/dt = 60 m/s^2。
步骤 8:计算y方向的加速度
对v_y关于t求导,得到a_y = dv_y/dt = -40 m/s^2。
步骤 9:计算加速度的大小
加速度的大小是a_x和a_y的平方和的平方根,即a = sqrt(a_x^2 + a_y^2)。将a_x和a_y代入,得到a = sqrt((60)^2 + (-40)^2) = sqrt(3600 + 1600) = sqrt(5200) = 20sqrt(13) m/s^2。
步骤 10:计算加速度的方向
加速度的方向是a_x和a_y的比值的反正切,即θ = atan(a_y/a_x)。将a_x和a_y代入,得到θ = atan(-40/60) = atan(-2/3)。由于a_x为正,a_y为负,加速度的方向在第四象限,θ = atan(-2/3)。

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