题目
一质点沿半径为 R 的圆周按规律 s = bt - (1)/(2)ct^2 运动, 其中 b、c 是正的常量。在切向加速度与法向加速度的大小第一次相等前, 质点运动经历的时间为多少().A. (b)/(c) - sqrt((R)/(c))B. (b)/(c) + sqrt((R)/(c))C. (b)/(c) + cRD. (b)/(c) - cR^2
一质点沿半径为 $R$ 的圆周按规律 $s = bt - \frac{1}{2}ct^2$ 运动, 其中 $b$、$c$ 是正的常量。在切向加速度与法向加速度的大小第一次相等前, 质点运动经历的时间为多少().
A. $\frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}}$
B. $\frac{b}{c} + \sqrt{\frac{R}{c}}$
C. $\frac{b}{c} + cR$
D. $\frac{b}{c} - cR^2$
题目解答
答案
根据题意,质点的运动规律为 $ s = bt - \frac{1}{2}ct^2 $。
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速度计算:
$ v(t) = \frac{ds}{dt} = b - ct $。 -
切向加速度:
$ a_t = \frac{dv}{dt} = -c $(大小为 $ c $,方向与速度相反)。 -
法向加速度:
$ a_n = \frac{v^2}{R} = \frac{(b - ct)^2}{R} $。 -
条件分析:
切向加速度与法向加速度大小相等,即 $ |a_t| = |a_n| $,即 $ c = \frac{(b - ct)^2}{R} $。 -
求解方程:
$ (b - ct)^2 = cR $,解得 $ b - ct = \pm \sqrt{cR} $。- 若 $ b - ct = \sqrt{cR} $,则 $ t = \frac{b - \sqrt{cR}}{c} = \frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}} $。
- 若 $ b - ct = -\sqrt{cR} $,则 $ t = \frac{b + \sqrt{cR}}{c} = \frac{b}{c} + \sqrt{\frac{R}{c}} $。
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物理意义:
题目要求“第一次相等前”的时间,即 $ v(t) > 0 $ 时的解。- 当 $ t = \frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}} $ 时,$ v(t) = b - c\left(\frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}}\right) = \sqrt{cR} > 0 $,符合条件。
- 当 $ t = \frac{b}{c} + \sqrt{\frac{R}{c}} $ 时,$ v(t) = b - c\left(\frac{b}{c} + \sqrt{\frac{R}{c}}\right) = -\sqrt{cR} < 0 $,不符合条件。
因此,质点运动经历的时间为 $ t = \frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}} $。
答案:A. $\frac{b}{c} - \sqrt{\frac{R}{c}}$