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# 飞机航空摄影问题
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## 问题描述
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一飞机在离地面2 km的高度,以200 km/h的速度水平飞行到某目标上空,以便进行航空摄影。试求飞机飞至该目标正上方时,摄影机转动的角速率。
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## 解析
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### 建立坐标系
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目标位置:原点 $O(0,0)$
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飞机位置:$P(x,2)$
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飞机高度:$h = 2$ km
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水平速度:$\frac{dx}{dt} = -200$ km/h
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### 角度关系
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$\theta = \arctan\left(\frac{x}{2}\right)$
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$\tan\theta = \frac{x}{2}$
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### 角速率计算
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$\frac{d\theta}{dt} = \frac{d\theta}{dx} \cdot \frac{dx}{dt}$
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$\frac{d\theta}{dx} = \frac{d}{dx} \arctan\left(\frac{x}{2}\right) = \frac{1}{1 + \left(\frac{x}{2}\right)^2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{2}{x^2 + 4}$
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$\frac{d\theta}{dt} = \frac{2}{x^2 + 4} \cdot (-200) = -\frac{400}{x^2 + 4}$ rad/h
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### 目标正上方时的角速率
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当 $x = 0$ 时:
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$\left. \frac{d\theta}{dt} \right|_{x=0} = -\frac{400}{0 + 4} = -100$ rad/h
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转换单位:
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$100$ rad/h $= 100 \times \frac{180}{\pi}$ °/h $= \frac{18000}{\pi}$ °/h
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$\frac{18000}{\pi}$ °/h $\times \frac{1}{3600}$ h/s $= \frac{5}{\pi}$ °/s $\approx 1.59$ °/s
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## 答案
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飞机飞至目标正上方时,摄影机转动的角速率为 $\frac{5}{\pi}$ °/s(约1.59 °/s)。
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# 人拉船问题
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## 问题描述
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人在河岸用绳经过定滑轮以速度 $v$、加速度 $a$ 拉船。绳与水平面夹角为 $\theta$。求此时船的加速度 $a'$。
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![[Pasted image 20251223173057.png]]
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## 解析
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### 变量定义
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$h$:滑轮高度(定值)
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$x$:船到河岸的水平距离
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$l$:绳长
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$v = -\frac{dl}{dt}$:人拉绳的速度
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$a = -\frac{d^2l}{dt^2}$:人拉绳的加速度
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$u = -\frac{dx}{dt}$:船的水平速度
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$a' = -\frac{d^2x}{dt^2}$:船的加速度
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$\theta$:绳与水平面夹角
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### 几何关系
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$l^2 = h^2 + x^2$
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### 一阶导数关系
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对几何关系求导:$2l\frac{dl}{dt} = 2x\frac{dx}{dt}$
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$l\frac{dl}{dt} = x\frac{dx}{dt}$
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代入速度定义:$l(-v) = x(-u)$
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$u = \frac{l}{x}v = \frac{v}{\cos\theta}$,其中 $\cos\theta = \frac{x}{l}$
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### 二阶导数关系
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对一阶关系求导:$\frac{d}{dt}\left(l\frac{dl}{dt}\right) = \frac{d}{dt}\left(x\frac{dx}{dt}\right)$
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$\left(\frac{dl}{dt}\right)^2 + l\frac{d^2l}{dt^2} = \left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + x\frac{d^2x}{dt^2}$
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$(-v)^2 + l(-a) = (-u)^2 + x(-a')$
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$v^2 - la = u^2 - xa'$
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### 求解 $a'$
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$xa' = u^2 - v^2 + la$
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$a' = \frac{u^2 - v^2 + la}{x}$
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代入 $u = \frac{v}{\cos\theta}$, $x = h\tan\theta$, $l = \frac{h}{\cos\theta}$:
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$a' = \frac{\left(\frac{v}{\cos\theta}\right)^2 - v^2 + \left(\frac{h}{\cos\theta}\right)a}{h\tan\theta}$
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$a' = \frac{v^2\left(\frac{1}{\cos^2\theta} - 1\right)}{h\tan\theta} + \frac{\frac{h}{\cos\theta}a}{h\tan\theta}$
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$a' = \frac{v^2\tan^2\theta}{h\tan\theta} + \frac{a}{\cos\theta\tan\theta}$
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$a' = \frac{v^2\tan\theta}{h} + \frac{a}{\sin\theta}$
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## 答案
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此时船的加速度为:
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$a' = \frac{v^2\tan\theta}{h} + \frac{a}{\sin\theta}$
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# 动点曲线运动问题
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## 问题描述
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已知动点 $P$ 在曲线 $y = \sqrt{x}$ 上运动,记坐标原点 $O$ 与 $P$ 间的距离为 $l$。若点 $P$ 横坐标随时间的变化率为常数 $v$,则当点 $P$ 运动到点 $(1, 1)$ 时,$l$ 对时间的变化率是多少?
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## 解析
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### 变量关系
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点 $P$ 坐标:$(x, y)$, $y = \sqrt{x}$
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原点 $O$ 与 $P$ 间的距离:
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$l = \sqrt{x^2 + y^2} = \sqrt{x^2 + (\sqrt{x})^2} = \sqrt{x^2 + x}$
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已知:$\frac{dx}{dt} = v$(常数)
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### 距离变化率计算
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$\frac{dl}{dt} = \frac{d}{dt} \sqrt{x^2 + x} = \frac{d}{dt} (x^2 + x)^{1/2}$
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$\frac{dl}{dt} = \frac{1}{2}(x^2 + x)^{-1/2} \cdot \frac{d}{dt}(x^2 + x)$
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$\frac{dl}{dt} = \frac{1}{2\sqrt{x^2 + x}} \cdot (2x + 1) \frac{dx}{dt}$
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$\frac{dl}{dt} = \frac{2x + 1}{2\sqrt{x^2 + x}} \cdot v$
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### 在点 $(1, 1)$ 处的变化率
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当 $x = 1$ 时:
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$\left. \frac{dl}{dt} \right|_{x=1} = \frac{2\cdot 1 + 1}{2\sqrt{1^2 + 1}} \cdot v = \frac{3}{2\sqrt{2}} \cdot v = \frac{3v}{2\sqrt{2}}$
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有理化:$\frac{3v}{2\sqrt{2}} = \frac{3v\sqrt{2}}{4}$
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## 答案
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当点 $P$ 运动到点 $(1, 1)$ 时,$l$ 对时间的变化率为 $\frac{3v\sqrt{2}}{4}$。
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