Zadanie 2.2.2.1

 Zadanie 2.2.2.1

Średnia szybkość
Cząstka porusza się po linii prostej. Zależność jej położenia od czasu określa równanie \(x(t)=6\,t-\frac{1}{8}\,t^3 \mathrm{[m]}\). Określ średnią szybkość cząstki w \(8\) pierwszych sekundach ruchu.

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź, klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- zależność położenia od czasu cząstki: \(x(t)=6\,t-\frac{1}{8}\,t^3 \mathrm{[m]}\).

Szukane:
- średnia szybkość cząstki w \(8\) pierwszych sekundach ruchu.

Odpowiedź

Średnia szybkość cząstki w pierwszych \(8\) sekundach ruchu wynosi \(\displaystyle{v_{śr}=6\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\).

Polecenie

Poniżej przedstawiono dwie propozycje rozwiązania zadania. Wybierz drogę, która prowadzi do prawidłowego rozwiązania.

Wybór 1 z 2

Należy policzyć położenie cząstki w pierwszej oraz ósmej sekundzie ruchu, a następnie skorzystać z definicji prędkości średniej.

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 2

Z równania opisującego ruch wynika, że cząstka może zmienić kierunek poruszania się na przeciwny, należy więc najpierw przeanalizować opisany ruch, a następnie obliczyć szybkość średnią uwzględniając zmiany kierunku ruchu.

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie

Do równania \(x(t)=6\,t-\frac{1}{8}\,t^3 \mathrm{[m]}\) można podstawić kolejne wartości czasu, aby otrzymać położenie cząstki, np.

\(x(1)=6\cdot\,1-\frac{1}{8}\cdot\,1^3 =6-\frac{1}{8}=5\frac{7}{8}\,\mathrm{m}\)
\(x(2)=11\,\mathrm{m}\)
\(x(3)=14,625\,\mathrm{m}\)
\(x(4)=16\,\mathrm{m}\)
\(x(5)=14,375\,\mathrm{m}\)
\(x(6)=9\,\mathrm{m}\)
\(x(7)=-0,875\,\mathrm{m}\)
\(x(8)=-16\,\mathrm{m}\) 


Na podstawie wykonanych obliczeń można narysować wykres zależności drogi od czasu.

Wykres przebytej drogi od czasu


W czwartej sekundzie ruchu cząstka zmienia kierunek ruchu.

Polecenie

Poniżej przedstawione są dwa wykresy prędkości cząstki od czasu. Wybierz rysunek odpowiadający treści zadania.

 Wskazówka teoretyczna - szybkość średnia
Zgodnie z definicją, szybkość średnia wynosi \(\displaystyle{v_{śr}=\frac{\bigtriangleup x_t}{\bigtriangleup t}}\),
gdzie:
\(\bigtriangleup x=x_{t2}-x_{t1}\) - położenie średnie,
\(\bigtriangleup t\) - przedział czasu.

Przykład:
Położenie cząstki opisane jest równaniem: \(x(t)=4\,t^2+2\,t\;\mathrm{[m]}\). Wyznacz wartość prędkości średniej pomiędzy \(2\) a \(4\) sekundą ruchu.
\(\displaystyle{v_{śr}=\frac{x(4)-x(2)}{4-2}}\)
\(\displaystyle{v_{śr}=\frac{4\cdot 4^2+2\cdot4-(4\cdot 2^2+2\cdot2)}{4-2}}=26\;\mathrm{\frac{m}{s}}\)

Wybór 1 z 2
Zależność prędkości od czasu

Odpowiedź nieprawidłowa

Wykres 2 z 2
Zależność prędkości od czasu

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie

Równanie opisujące szybkość poruszania się cząstki w zależności od czasu, można wyznaczyć z definicji szybkości chwilowej:

\(\displaystyle{v=\frac{\mathrm{d}(6\,t -\frac{1}{8}\,t^3)}{\mathrm{d}t}=6-\frac{3}{8}\,t^2\;\mathrm{\left [\frac{m}{s}\right ]}}\)
Sprawdźmy, dla jakiej wartości wyznaczona funkcja przyjmuje wartość zero.
\(\displaystyle{6-\frac{3}{8}\,t^2=0}\)
\(\displaystyle{6\cdot\frac{8}{3}=\,t^2}\)
\(t^2=16\)
\(t=4\;\mathrm{s}\) 
Wartość \(t=-4\;\mathrm{s}\) nie spełnia warunków zadania.

W czwartej sekundzie ruchu szybkość cząstki wynosi zero. W tym momencie cząstka wyhamowała i za chwilę rozpocznie ruch w przeciwną stronę.
Wartość szybkości średniej należy obliczyć osobno dla ruchów odbywających się w rożnych kierunkach.

Polecenie

Poniżej przedstawiono cztery wartości średnie szybkości cząstki. Wybierz jedną prawidłową wartość.

Wybór 1 z 4

\[\displaystyle{v_{śr}=6\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\]

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 4

\[\displaystyle{v_{śr}=3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\]

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\[\displaystyle{v_{śr}=1,5\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\]

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\[\displaystyle{v_{śr}=-2,5\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\]

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Analiza ruchu wykazała, że w \(4\) sekundzie zmianie ulega kierunek ruchu. Po tym czasie szybkości przyjmują wartości ujemne.
Szybkość średnią należy obliczyć osobno dla wartości dodatnich \(v_1\) i ujemnych \(v_2\).

\(\displaystyle{v_1=\frac{x(4)-x(0)}{4-0}}=\frac{16-0}{4}=4\mathrm{\frac{m}{s}}\)     oraz     \(\displaystyle{v_2=\frac{x(8)-x(4)}{8-4}}=\frac{-16-16}{4}=-8\mathrm{\frac{m}{s}}\)
\(\displaystyle{v_{śr}=\frac{1}{2}\,(4+8)=6\;\mathrm{\frac{m}{s}}}\)

Odpowiedź

Średnia szybkość cząstki w pierwszych \(8\) sekundach ruchu wynosi \(\displaystyle{v_{śr}=6\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\).