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積分問題》
範例 22:錄音帶
如果你曾注意過收音機帶動錄音帶的情形,相信你會發現在收聽(或者快轉)的時候,在左方的輪子會逆時針旋轉,以帶動磁帶,而原本在右方的磁帶地方就會被一直帶動,最後會繞到左方的輪子上。
現在我們考慮二個問題:兩個輪子磁帶半徑的變化率之比為多少? 如果我知道錄音帶從一開始(左方的輪子沒有磁帶,所有磁帶都在右方的輪子上)轉到一半 (左方的磁帶量=右方的磁帶量)時,需要一分鐘,並且輪 1 的轉速始終保持一定值,那麼錄音帶全部轉完的時候需要幾分鐘呢?
《 解答 》
width="250" width="250"

如果你曾注意過收音機帶動錄音帶的情形時,就會發現到,在收聽(或者快轉)的時候,在 1 處的輪子會逆時針旋轉,以帶動磁帶,而磁帶原本在 2 的地方就會被一直帶動,最後會繞到輪子 1 上。

現在我們想要考慮兩個問題:

  1. width="36"為1號輪子在 src="images_02/ex22_4.gif" 時刻所繞出的磁帶的半徑,width="36"為2號輪子在 width="6" 時刻磁帶形成圓形的半徑,它們會隨 src="images_02/ex22_4.gif" 而變化,那麼兩半徑的變化率之比(即 width="30")為何?
  2. 如果我知道錄音帶從一開始(輪 1 沒有磁帶,所有磁帶都在輪 2上)轉到一半(輪 1的磁帶量=輪2的磁帶量)時,需要一分鐘,並且輪 1 的轉速始終保持一定值,那麼錄音帶全部轉完的時候需要幾分鐘?

第一個問題其實並不難,如果注意到磁帶的總量始終保持一定,另一個角度想就是兩磁帶所繞出的兩個圓形面積總和是固定的,於是會有 常數,對 width="6" 微分後得到

第二個問題我們可以試著用積分的方法解決,首先注意到由於轉速是一定(記為ω),所以半徑 width="15" 是和 width=12 成正比,於是不妨令 (比方說輪子每秒轉10圈,那麼一秒後半徑就多了10個磁帶的厚度,兩秒後半徑就多了20個磁帶的厚度)另外,我們同樣是以圓面積代表磁帶量,所以 (一分鐘時轉了總長的一半,width="10"是一比例常數)欲解 時的α值。

所以帶子全部轉完需要width=25分鐘。



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