一质点在t=0时刻从原点出发,以速度v_(0)沿x轴运动,其加速度与速度的关系为a=-kv^2,k为正常数,这质点的速度v与所经路程x的关系是()。A. v=v_(0)e^-kxB. v=v_(0)(1-(x)/(2v_(0)^2))C. v=v_(0)sqrt(1-x^2)D. 条件不足不能确定。
A. $v=v_{0}e^{-kx}$
B. $v=v_{0}(1-\frac{x}{2v_{0}^{2}})$
C. $v=v_{0}\sqrt{1-x^{2}}$
D. 条件不足不能确定。
题目解答
答案
解析
本题考查的知识点是运动学中加速度、速度和路程之间的关系,解题思路是通过加速度的定义式$a = \frac{dv}{dt}$,结合已知的加速度与速度的关系$a=-kv^{2}$,利用变量代换将其转化为关于速度$v$和路程$x$的微分方程,然后进行积分求解。
步骤一:根据加速度的定义式进行变量代换
加速度的定义式为$a = \frac{dv}{dt}$,根据复合函数求导法则$\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}\cdot\frac{dx}{dt}$,而$\frac{dx}{dt}=v$,所以$a = v\frac{dv}{dx}$。
步骤二:结合已知条件得到微分方程
已知$a=-kv^{2}$,将$a = v\frac{dv}{dx}$代入可得:
$v\frac{dv}{dx}=-kv^{2}$
因为$v\neq0$(质点在运动),两边同时除以$v$得到:
$\frac{dv}{dx}=-kv$
移项可得:
$\frac{dv}{v}=-kdx$
步骤三:对微分方程进行积分
对$\frac{dv}{v}=-kdx$两边同时积分,积分下限根据初始条件确定,$t = 0$时,$x = 0$,$v = v_0$,积分上限为$x$和$v$,则有:
$\int_{v_0}^{v}\frac{dv}{v}=-\int_{0}^{x}kdx$
根据积分公式$\int\frac{1}{x}dx=\ln x+C$,可得:
$\ln v-\ln v_0=-kx$
根据对数运算法则$\ln a - \ln b = \ln\frac{a}{b}$,则有:
$\ln\frac{v}{v_0}=-kx$
步骤四:求解速度$v$与路程$x$的关系
对$\ln\frac{v}{v_0}=-kx$两边同时取指数,可得:
$\frac{v}{v_0}=e^{-kx}$
两边同时乘以$v_0$,得到:
$v = v_0e^{-kx}$