题目
质量为 m = 0.5 , (kg) 的物体放在光滑的水平面上,在外力 F = 3 - 5t (SI) 的作用下做直线运动,若 t = 2 , (s) 时速度大小为 1 , (m/s),则该物体的初速度大小为 ____ (m/s)。
质量为 $m = 0.5 \, \text{kg}$ 的物体放在光滑的水平面上,在外力 $F = 3 - 5t$ (SI) 的作用下做直线运动,若 $t = 2 \, \text{s}$ 时速度大小为 $1 \, \text{m/s}$,则该物体的初速度大小为 \_\_\_\_ \text{m/s}。
题目解答
答案
根据牛顿第二定律,加速度为 $ a = 6 - 10t $。由 $ a = \frac{dv}{dt} $,可得:
\[
v(t) = v_0 + \int (6 - 10t) \, dt = v_0 + 6t - 5t^2
\]
将 $ t = 2 \, \text{s} $、$ v(2) = 1 \, \text{m/s} $ 代入:
\[
1 = v_0 + 12 - 20 \implies v_0 = 9 \, \text{m/s}
\]
最终结果:初速度大小为 $ 9 \, \text{m/s} $。
答案:$ 9 \, \text{m/s} $。
解析
本题考查牛顿第二定律以及通过积分运算求解速度与时间的关系。解题思路如下:
- 首先根据牛顿第二定律$F = ma$求出物体的加速度$a$关于时间$t$的表达式。
已知物体质量$m = 0.5 \, \text{kg}$,外力$F = 3 - 5t$,由$F = ma$可得加速度$a$为:
$a=\frac{F}{m}=\frac{3 - 5t}{0.5}=6 - 10t$ - 然后根据加速度的定义$a = \frac{dv}{dt}$,通过积分运算求出速度$v$关于时间$t$的表达式。
因为$a = \frac{dv}{dt}$,所以$dv = a \, dt$,对其两边进行积分可得:
$v(t) - v_0 = \int_{0}^{t} a \, dt$
将$a = 6 - 10t$代入上式得:
$v(t) - v_0 = \int_{0}^{t} (6 - 10t) \, dt$
计算积分$\int (6 - 10t) \, dt$:
根据积分公式$\int x^n \, dx = \frac{1}{n + 1}x^{n + 1} + C$($n\neq -1$),可得$\int 6 \, dt = 6t + C_1$,$\int 10t \, dt = 10\times\frac{1}{2}t^2 + C_2 = 5t^2 + C_2$。
所以$\int (6 - 10t) \, dt = 6t - 5t^2 + C$($C = C_1 - C_2$)。
则$v(t) - v_0 = 6t - 5t^2$,移项可得$v(t) = v_0 + 6t - 5t^2$,其中$v_0$为初速度。 - 最后将$t = 2 \, \text{s}$、$v(2) = 1 \, \text{m/s}$代入速度表达式$v(t)$,求出初速度$v_0$。
把$t = 2$,$v(2) = 1$代入$v(t) = v_0 + 6t - 5t^2$得:
$1 = v_0 + 6\times 2 - 5\times 2^2$
$1 = v_0 + 12 - 20$
移项可得:
$v_0 = 1 - 12 + 20 = 9 \, \text{m/s}$