空间解析几何 / 向量运算 / 常规计算与结论整理
一个质量为 $1g$ 的质点,受外力的作用做直线运动,该外力和时间成正比,和质点的速度成反比.当 $t=10s$ 时,质点的速度 $v$ 为 $100cm/s$,外力 $F$ 为 $2g\cdot cm/s^2$,求 $t=30s$ 时,质点的速度.($\sqrt{65}\approx8.062$,$F=ma$,$a$ 为加速度)
正确答案
$20\sqrt{65}cm/s\approx161.24cm/s$
题目解析
【解】设外力 $F$ 与时间 $t$ 成正比,与速度 $v$ 成反比,即 $F=k\dfrac{t}{v}$,其中 $k>0$ 为比例常数。又 $F=ma$,质量 $m=1\,\text{g}$,故 $a=F=k\dfrac{t}{v}$。而 $a=\dfrac{dv}{dt}$,得微分方程 $$\dfrac{dv}{dt}=k\dfrac{t}{v} \quad \Rightarrow \quad v\,dv=k t\,dt.$$ 两边积分:$$\int v\,dv=\int k t\,dt \quad \Rightarrow \quad \dfrac{v^2}{2}=\dfrac{k t^2}{2}+C \quad \Rightarrow \quad v^2=kt^2+C_1.$$ 由初始条件:当 $t=10$ 时,$v=100$,且 $F=2$,代入 $F=k\dfrac{t}{v}$ 得 $2=k\dfrac{10}{100}=\dfrac{k}{10}$,故 $k=20$。再代入 $v^2=20t^2+C_1$,当 $t=10$,$v=100$,得 $10000=20\times100+C_1=2000+C_1$,故 $C_1=8000$。因此 $v^2=20t^2+8000$。当 $t=30$ 时,$$v^2=20\times900+8000=18000+8000=26000=400\times65 \quad \Rightarrow \quad v=20\sqrt{65}\,\text{cm/s} \approx 161.24\,\text{cm/s}.$$