Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Инженерные расчеты в Mathcad

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
24.11.2025
Размер:
1.21 Mб
Скачать

Значения tнач 0 с, t р 4,2 с, tT 6,9 с, tкон 9,2 с, t 0,6с, n 2 .

Вариант 15

 

 

1. Вычислить объём шара V

 

4

R3

, где

d

2S

и R

h2

 

d

.

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения S

800мм2, h 30мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Вычислить

значение

 

 

функции

 

x

3 q2

lg q

tg( p 0,9 )

,

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arccos3 p

 

 

 

a

d 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

1

 

 

и q

sin2 (a d

1)

cos(a 2

p) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a 2

d 2 ed

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения a1

5,1, d

6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат для проверки: p

 

 

0,12 , q

0,399,

x

0,238.

 

 

 

 

 

 

 

3. Вычислить значение ускорения а движущегося тела при заданном значении

времени t, удовлетворяющем условию tнач

кон , :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

sin(k t), k t,

где k sin y

Значения tнач 4. Вычислить времени tнач кон

если tнач

t tT ;

если tT t

tкон ,

e y .

 

0 с, tT

7,9 с, tкон 10,2 с, t 8,7 с, y 0,75.

значение ускорения а движущегося тела при заданных значениях и номере закона движения n,

 

k 2

t, если tнач

t

t p ;

где a

t

k,

если t p

t

tT ;

 

k

t,

если tT

t

tкон ,

 

 

0,5,

если n

1 или 5;

причем k

1,5,

если n

4 или 3;

 

 

4,5,

если n

2 или 6 .

Значения tнач

0 с, t р

5,2 с, tT 7,9 с, tкон 10,2 с, t 0,7 с, n 2 .

21

Лабораторная работа № M3 Решение в Mathcad технических задач,

моделируемых объектами высшей математики

Ц е л ь р а б о т ы : приобретение навыков использования пакета Mathcad для решения технических задач, математическими моделями которых являются объекты высшей математики.

1. Загрузите

математическую

систему

Mathcad

и

разместите

окно

на свободной части экрана монитора.

2.Если необходимо закройте окно трассировки.

3.Сохраните документ в файле M3_1_Ф_N.xmcd (Ф – ваша фамилия на русском языке, N

– номер группы).

4.Создайте в документе текстовые области, содержащие номер лабораторной работы, её название, сведения об исполнителе.

5.Введите поясняющий текст 1 Суммирование в MathCad.

6. Вычислите Sum

iкон

, где i изменяется от iнач = 0 до iкон = 6 с шагом i = 1, исполь-

i 1

i

iнач

 

зуя оператор суммирования MathCad. Для этого:

6.1задайте значения исходных данных;

6.2выполните LC в месте расположения вычислительной формулы;

6.3постройте левую часть оператора присваивания вида Sum : ;

6.4вставьте оператор суммирования, нажав кнопку Суммирование на Панели Исчисление. Для активизации Панели инструментов Исчисление нажмите кнопку

Панель вычисления на Панели Математика;

6.5заполните шаблоны;

6.6вычислите значение Sum.

7. Вычислите Sum1

iкон

jкон

 

j , где i изменяется от iнач = 1 до iкон = 5 с шагом i = 1 и

 

i

 

 

 

 

 

i

iнач j

jнач

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j изменяется

от

jнач = 0 до jкон = 3

с шагом

j = 1, используя оператор

суммирования

MathCad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Докажите,

что

ln 1

t1

t1

 

t12

 

 

 

t13

 

 

1

n 1 t1n

, где

– точность вычисле-

 

2

 

 

3

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ний. Значения t1

0,53, n

20 ,

0,001.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для этого:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1 введите исходные данные;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.2 постройте формулу для вычисления правой части равенства sl1

ln 1

t1 ;

8.3 постройте

 

формулу

 

 

для

вычисления

левой

части

равенства

 

 

2

 

3

 

 

 

n

 

 

n

 

 

n

 

 

i

 

 

 

 

 

 

sl2 t1

t1

t1

 

1

1 t1

 

 

 

 

( 1)

i 1 t1

 

;

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

n

 

 

i 1

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

 

 

 

 

 

 

8.4 докажите

 

выполнение

условия

 

sl1

sl2

,

используя

функцию

if

категории

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Докажите равенства, используя значения b1 1,32 ,

9,128,

n 20 ,

0,001.

9.1 sin b1

b1 b13

 

 

b15

 

1

n

b12n 1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1! 3!

5!

 

 

2n

1 !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.2 cos 5

 

1

 

52

 

 

54

 

1 n

 

52n

 

.

 

 

 

 

 

2!

4!

 

 

2n !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Введите поясняющий текст 2 Произведение в MathCad .

 

 

 

11. Вычислите

 

 

 

 

 

 

iкон

1 , где i изменяется от iнач = 3 до iкон = 8 с шагом

i = 1, ис-

 

proiz

 

 

i

i iнач

пользуя оператор для вычисления произведения, нажав кнопку Продукт итерации

на Панели Исчисление.

12.Введите поясняющий текст 3 Факториал в MathCad.

13.Вычислите F1 = m! и F2 = m! двумя разными способами при m = 6. Сравните результа-

ты.

14.Введите текст 4 Определенный интеграл в MathCad.

15.Определите площадь фигуры, ограниченной кривой y cos(x) , осью 0x, прямыми

xкон

x xнач и x xкон , вычислив определенный интеграл S

cos xdx. Значения xнач 0 ,

xнач

xкон 4 .

Для этого:

15.1задайте исходные данные;

15.2постройте левую часть оператора присваивания S:= ;

15.3нажмите кнопку Определенный интеграл на Панели Исчисление;

15.4заполните шаблон в виде ;

15.5вычислите значение S, добавьте единицы измерения.

 

 

 

tкон

a 2 sin2 t

b2 cos2 tdt . Зна-

16. Определите путь S, пройденный телом, вычислив S

 

 

 

 

 

tнач

 

 

чения tнач 0 c, tкон

15 c, a = 1,75 м, b = 0,78 м.

 

 

 

 

 

 

 

2

 

кон

 

 

 

 

 

 

 

17. Определите

угловую скорость , вычислив

 

 

M 0 1 sin

d . Значения

J П

 

 

 

нач

 

 

 

 

 

 

 

нач 0 рад,

кон

рад, M 0 10 Н м J П 10 кг м2.

 

 

 

 

 

 

23

 

 

 

 

18. Сохраните файл M3_1_Ф_N.xmcd как файл M3_2_Ф_N.xmcd. В файле M3_2_Ф_N.xmcd удалите пункты 1 Суммирование в Mathcad – 4 Определенный интеграл в Mathcad.

19.Введите текст 5 Пределы в MathCad.

20. Определите предельную силу сопротивления воздуха Rmax, действующую на летящий

шарик, вычислив R

max

lim A 1 e 2t

. Значение A 0,94 H.

 

t

 

 

 

 

Для этого:

20.1задайте исходные данные;

20.2постройте левую часть оператора присваивания Rmax:= ;

20.3нажмите кнопку Двухсторонняя граница на Панели Исчисление;

20.4заполните шаблон Двухсторонняя граница в виде

;

20.5выделите курсором (синим уголком) весь предел ;

20.6активизируйте пункты меню Символика Вычислить Символически;

20.7Mathcad построит вычислительную формулу вида ;

20.8вычислите значение Rmax, добавьте единицы измерения.

21. Определите скорость установившегося движения инструмента vуст, вычислив

v уст

 

lim v рез

S

 

1

sin

2

S

. Значения vрез = 0,26

м

, Sрк = 0,15 м.

 

S рк

2

S рк

с

 

S

S рк

 

 

 

 

22. Определите максимальное значение аналога ускорения движущегося инструмента v1,

вычислив v1

lim

 

v рез

1

cos

 

2

 

S . Значения vрез = 0,26

м

, Sрк = 0,15 м.

 

 

S рк

 

S рк

 

с

 

 

S

S рк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23.

Введите текст 6 Производные в MathCad.

 

 

 

 

24.

Зная

 

зависимость

 

 

 

скорости

движущегося

инструмента

v(S) v рез

S

 

1

 

 

sin

2

S ,

 

 

постройте

зависимость

аналога

ускорения

S рк

2

 

 

S рк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vS dSd v(S) .

Для этого:

24.1постройте левую часть функциональной зависимости V1(S):=;

24.2нажмите кнопку Производная на Панели Исчисление;

24.3 заполните шаблон Производная

в виде

;

 

24

 

24.4выделите курсором дифференцирование ;

24.5активизируйте пункты меню Символика Вычислить Символически;

24.6Mathcad построит зависимость вида .

25. Зная зависимость заряда колебательного контура q(t) q0 cos

, постройте зависи-

мость силы тока I (t)

d

q(t) .

 

dt

 

 

 

 

Для этого:

25.1постройте функцию ;

25.2постройте левую часть функциональной зависимости I(t):=;

25.3нажмите кнопку Производная на Панели Исчисление;

25.4заполните шаблон Производная в виде ;

25.5выделите курсором дифференцирование;

25.6нажмите кнопку Символьное вычисление на панели Символьная. Для до-

ступа к панели Символьная нажмите кнопку Панель символьных ключевых слов на панели Математическая;

25.7выполните LC вне полученного выражения;

25.8Mathcad построит зависимость вида .

26.Введите текст 7 Неопределенные интегралы в MathCad .

27.Зная зависимость углового ускорения ) 4sin2t , постройте зависимость угловой скорости t dt .

Для этого:

27.1постройте левую часть функциональной зависимости (t):=;

27.2нажмите кнопку Неопределенный интеграл на Панели Исчисление;

27.3заполните шаблоны в виде ;

27.4 выделите курсором интегрирование

;

27.5активизируйте пункты меню Символика Вычислить Символически;

27.6Mathcad построит зависимость вида .

28.Зная зависимость угловой скорости , постройте зависимость угла порота , ис-

пользуя кнопку Символьное вычисление на Панели Символьная.

25

29. Зная зависимость аналога ускорения

d 2 S

 

2 h

cos

 

кулачкового механизма,

d

2

 

2 2П

 

 

 

 

П

постройте зависимости аналога скорости dS и функции положения S, используя интегри- d

рование.

30.Введите поясняющий текст 8 Упрощение выражений.

31.Потенциальная энергия П системы, состоящей из трех тел массой m каждое и трех

пружин

 

 

 

жесткостью

 

 

 

 

c0

 

каждая,

задается

формулой

П

1

c

 

x2

1

c

 

x

 

x 2

1

c

 

x

x

2

. Упростите формулу П. Для этого:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0

1

2

 

0

 

2

1

2

 

0

3

 

2

 

 

 

31.1постройте вычислительную формулу;

31.2нажмите кнопку на Панели Символьная;

31.3выполните LC вне полученного выражения.

32.Кинетическая энергия Т системы, состоящей из трех тел массой m каждое и трех пру-

 

mv2

 

mv2

 

mv2

 

жин жесткостью c0 каждая, задается формулой T

1

 

2

 

3

. Упростите форму-

2

2

2

 

 

лу Т, активизируя пункты меню Символика Упростить. 33. Сдайте работу преподавателю.

26

Лабораторная работа № M4 Циклические вычислительные процессы в Mathcad

Ц е л ь р а б о т ы : приобретение навыков использования пакета Mathcad для решения задач циклической структуры.

1. Загрузите

математическую

систему

Mathcad

и

разместите

окно

на свободной части экрана монитора.

2.Если необходимо закройте окно трассировки.

3.Сохраните документ в файле M4_Ф_N.xmcd (Ф – ваша фамилия на русском языке, N – номер группы).

4.Создайте в документе текстовые области, содержащие номер лабораторной работы, её название, сведения об исполнителе.

5.Введите поясняющий текст 1 Дискретные переменные, установив стиль Заголовок 2.

6.Определите значения дискретной переменной S, изменяющиеся от S нач до S кон с ша-

гом 1, если S нач 0 , S кон 5 . Для этого:

6.1введите исходные данные ;

6.2постройте формулу для вычисления дискретной переменной S. Для этого:

6.2.1выполните LC в месте расположения формулы;

6.2.2введите S и оператор присваивания;

6.2.3разверните панель инструментов Матрица, нажав кнопку

Панель векторов и матриц на панели Математика;

6.2.4нажмите кнопку Область переменной ; на Панели Матрица;

6.2.5введите в первый шаблон имя переменной , во второй шаблон – имя переменной ;

6.3вычислите значения дискретной переменной S.

7.Определите значения дискретной переменной t, изменяющиеся от t нач до t кон с шагом

, если tнач 0 , tкон 3 , t 0,5 . Для этого:

7.1введите исходные данные в той же строчке, где расположены исходные данные для предыдущего примера;

7.2постройте формулу для вычисления дискретной переменной t. Для этого:

7.2.1выполните LC в той же строчке, где расположена формула для вычисления S;

7.2.2введите t и оператор присваивания;

7.2.3нажмите кнопку Область переменной на Панели Матрица.

7.2.4введите в первый шаблон имя переменной tn , введите с клавиатуры запятую,

введите во второй шаблон выражение tn (начальное значение переменной плюс шаг), в третий шаблон – имя переменной tk ;

27

7.3вычислите t.

8.Введите поясняющий текст 2 Примеры с дискретными переменными, установив стиль

Заголовок 2.

9.Постройте фрагменты документа MathCad, расположив результаты компактно.

9.1определите значения дискретной переменной r2, изменяющиеся от r2нач до r2кон с

шагом

2 , если r2нач

 

8 , r2кон

6 ,

r2 0,2 .

 

 

 

 

9.2 определите значения дискретной переменной , изменяющиеся от

нач

до

кон

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шагом

, если

нач

0 ,

кон

2

,

 

 

.

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Введите

поясняющий

текст

3 Использование дискретных переменных,

установив

стиль Заголовок 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Вычислите сумму

k

1

для k изменяющегося от kнач до kкон с шагом

 

. Значения

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kнач 1, kкон 2 , k 0,2 . Для этого:

11.1введите исходные данные;

11.2постройте формулу для вычисления дискретной переменной k;

11.3вычислите сумму, используя кнопку Диапазон изменения суммирования на

Панели Исчисление.

12. Вычислите произведение

 

u

 

для u изменяющегося от

uнач

до uкон с шагом

.

 

 

 

 

 

 

 

u

 

1

 

 

 

Значения uнач 1,2 , uкон 2,4 ,

 

u 0,4 . Для этого:

 

 

 

12.1введите исходные данные;

12.2постройте формулу для вычисления дискретной переменной u;

12.3вычислите произведение, используя кнопку Диапазон изменений продукта итерации на Панели Исчисление.

13.Введите поясняющий текст 4 Определение параметров поступательного движения,

установив стиль Заголовок 2.

 

 

 

 

Постановка задачи. Определите параметры поступательного равноускоренного

движения

тела,

вычислив n

значений времени

t,

скорости

v

v0

 

at ,

перемещения

 

v

 

 

 

at 2

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

от t

 

 

до t

 

 

s

0

t

 

 

 

и силы F

F (1

 

 

)

при изменении времени t

нач

кон

. Значения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

sкон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tнач

 

0 с,

tкон

5 с, v0

3,5 м/с, a

0,5 м/с2,

F0

 

90,5 Н, n

 

11.

Постройте графики

зависимостей v(t), s(t) ,

F(s) ,

v(t) и s(t) в одних осях координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Математическая модель процесса. Разобьем промежуток времени

tнач , tкон на

n

1 равный элементарный интервал величиной

t

 

(tкон

tнач )

. Полученные промежу-

 

(n

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точные точки пронумеруем от 1 до n. Используем переменную i

для обозначения номера

28

текущей точки. Значения параметров движения в i -ой точке вычисляются по формулам

t

i

t

нач

i 1 ,

v

i

v

0

at

i

,

s

i

v

0

t

i

ati2

,

F

F (1

si

) для i 1, 2,..., n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

i

0

sкон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.Фрагмент документа Mathсad постройте по алгоритму

14.1задайте исходные данные;

14.2задайте стандартную переменную ORIGIN = 1;

14.3

постройте формулу для вычисления

t

(tкон

 

tнач )

;

 

 

 

 

(n

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.4

постройте формулу для вычисления дискретной переменной i;

 

 

14.5

постройте формулу для вычисления ti

tнач

 

i

 

1

 

. При построении индекса

используйте кнопку

Нижний индекс [ на панели Матрица;

 

 

14.6

постройте формулы для вычисления vi

v0

ati

и si

 

v0ti

ati2

;

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

постройте формулу для вычисления sкон

v0tкон

 

atкон2

 

 

14.7

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.8

постройте формулу для вычисления

F

F (1

 

si

 

) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

0

 

sкон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.9в категории Результаты Mathcad документа вычислите массивы t, v, s, F;

14.10постройте график v(t). Для этого:

14.10.1установите курсор в место расположения графика;

14.10.2нажмите на Панели инструментов Математика кнопку Панель гра-

фиков;

14.10.3нажмите на Панели График кнопку ;

14.10.4заполните поле графика по образцу

14.10.5выполните LC вне поля графика;

14.10.6добавьте оси координат. Для этого:

14.10.6.1поставьте курсор на поле графика и вызовите контекстное меню, выполнив RC;

14.10.6.2выберите пункт Формат…;

14.10.6.3заполните окно по образцу

29

14.10.6.4нажмите кнопку ОК;

14.10.7выполните LC вне поля графика.

14.11постройте графики s(t) , F(s);

14.12постройте графики v(t) и s(t) в одних осях координат. Для этого:

14.12.1скопируйте график функции v(t);

14.12.2в копии установите курсор в поле графика v(t) возле оси ординат после v;

14.12.3нажмите на клавиатуре запятую;

14.12.4в появившемся шаблоне введите s;

14.12.5выполните LC вне поля графика.

15.Сдайте работу преподавателю. Студенты, претендующие на экзаменационную оценку выше 6, продолжают построение документа.

16.Введите поясняющий текст 5 Исследование технического процесса, установив стиль

Заголовок 2.

17.Выполните задание по варианту. Для этого:

1.Изучите поставленную задачу.

2.В рабочей тетради постройте математическую модель исследуемого процесса и сдайте ее преподавателю.

3.В соответствии с математической моделью и алгоритмом решения задачи постройте фрагмент документа Mathcad, содержащий

название решаемой задачи, определяющее исследуемый объект или процесс;

сведения о студенте, включающие фамилию, инициалы, номер учебной группы и номер варианта;

текст: Исходные данные ;

исходные данные с указанием наименования параметра, технического обозначения, числового значения, единиц измерения в выбранной системе счисления;

текст: Вычислительные формулы ;

вычислительные формулы Mathcad строго в соответствии с алгоритмом решения задачи;

текст: Результаты ;

окончательные результаты, содержащие наименования параметров, результирующие формулы, единицы измерения; постройте графики требуемых зависимостей.

30