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101 台灣大學微積分(B) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

101學年度 · 101台大微積分B · 第 3 題

題目

Problem

(3) 假設台北 101 大樓在高度 250 公尺處有一探照燈,在大樓前方 100 公尺處,有一架直升機在高度 190 公尺的空中投下一物體。物體自由落下,物體在地面的影子隨之移動,則在落下 (3a)‾\underline{\quad(3a)\quad} 秒時,影子移動速率最快,此時速率為 (3b)‾\underline{\quad(3b)\quad}。(以 g=10 m2/secg=10\ \mathrm{m^2/sec} 計算之。)

題目勘誤

官方原題:指定「以 g=10 m2/secg=10\ \mathrm{m^2/sec} 計算之」。

實際上應為:重力加速度的單位應為 m/sec2\mathrm{m/sec^2}。

本頁保留官方原題,解答依正確的自由落體關係 h=190−12gt2h=190-\frac12gt^2 處理。

解答

解法一

思路

展開
  • 先用自由落體公式寫出物體離地高度。
  • 探照燈、物體和影子形成兩個相似三角形,因此可把影子的位置表示成時間函數;再最大化其速率。

答題過程

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物體高度為 h=190−5t2h=190-5t^2。由探照燈、物體與影子的相似三角形,影子到大樓的距離為

s(t)=100⋅250250−h=500012+t2.s(t)=\frac{100\cdot250}{250-h} =\frac{5000}{12+t^2}.

因此影子速率為

∣dsdt∣=10000t(12+t2)2.\left|\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right| =\frac{10000t}{(12+t^2)^2}.

對 t≥0t\ge0 微分,分子的符號由 12−3t212-3t^2 決定,故最大值發生於 t=2t=2。此時

10000⋅2(12+4)2=6258.\frac{10000\cdot2}{(12+4)^2}=\frac{625}{8}.

所以

(3a)=2 秒,(3b)=6258 m/sec.\boxed{(3a)=2\text{ 秒},\qquad(3b)=\frac{625}{8}\text{ m/sec}}.