建议:四个人一组:两个正方,两个反方,辩论时间共7分钟左右。
therearethreesegments:
正方30秒,反方30秒)
分钟左右)反方30秒,正方30秒,)
徐永干 20124003 李聪20123997
一问题重述。
人在雨中从一处沿直线跑到另一处,若雨速为常数且方向不变,试建立数学模型讨论是否跑得越快,淋雨量越少?
将人体简化成一个长方体,高(颈部以下),宽,厚。设跑步距离,跑步最大速度,雨速,降雨量,记跑步速度为。按以下步骤进行讨论。
二、问题分析。
1)如何度量一个人的形体?
2)如何度量雨下的大小?
1、降雨的速度和降水的强度保持不变;
2、人在雨中行走的速度是定量;
3、风速保持恒定;
4、人体视为一个长方体。
5、假设产生的影响各个因素相互独立;
人在雨中行走的距离(米)
人在雨中行走的时间(秒)
人在雨中行走的速度(米/秒)
人的高度,宽度和厚度(米)
降雨量(降雨强度,单位时间平面上的降下雨水的厚度,厘米/小时)
淋雨的总量(升)
雨滴落下的速度。
雨滴的密度(时意味着大雨倾盆)。
降雨的角度(雨滴落下的方向与行走的方向之间的夹角) 利用新的记号,
注:以上是本文中的全局变量符号说明,在建模过程中引入的局部变量在**中局部说明)
模型一:当不考虑降雨角度时,假设淋雨的部位时全身所有部位,因此淋雨的面积为。淋雨时间为:,淋雨量为:
问题二:考虑降雨的角度影响(迎面):
模型二:,淋雨的部位为顶部和前方。
头顶部淋雨量为:,前方的淋雨量为:,总的淋雨量为:,从表达式可以看出,雨中行走的速度越快,淋雨量越小。
问题三:考虑降雨的角度影响(背面):
模型三:,雨滴将从身后落下(设)
1): 行走的速度慢于雨滴的水平运动速度。淋在后背上的雨水量为,淋雨总量为:。由于v的限制,最大的行走速度为,雨水量。
2): 行走的速度快于雨滴的水平运动速度,此时可以想象人在追赶雨滴,雨水淋在胸前,淋雨量为。总的淋雨量为。
这样得到淋雨量的数学模型为:
两个式子都是速度的减函数,第二个式子中关于v的增减性取决于是否大于零,而这需要看人的体形决定。
模型求解:5.1 问题一的求解。
将上述数据代入模型一进行求解,有。
5.2问题二的求解:
由模型二知:雨中行走的速度越快,淋雨量越小。所以取时淋雨量最少。当时:
当时:。5.3问题三的求解:
由模型三可知当速度越快时,淋雨量越少。所以取时淋雨量最少。当:
2)时小于零,是关于v的增函数,所以速度应当最小,即速度为,此时。
5.4问题。
四、问题五的求解:
1. 人行走的路线为直线,行走距离为d, 跑步最大速度。
选择适当的直角坐标系,使人行走速度为:,则行走的时间为。
2. 雨的速度不变,记为:
相对速度:3. 人体为长方体,其前、侧、顶的面积之比为
单位时间内的淋雨量正比于 ,从而总淋雨量正比于。
(行走的时间为)
已知求为何值是最小?
的情形(有最小值的情形(无最小值)
当时,。当时,尽可能大时,才会尽可能小。
其图像为下图。
易知无最小值。
同样有对情形的讨论。
结论:仅当时,取可使前后不淋雨,其淋雨总量最小,其它情况下,应使u尽可能的大,才能使淋雨量尽可能小,这比较符合人们生活的常识。
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