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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2022 June Paper 31 Q3

A Level / CIE / FM

CIE 9231 2022 June Paper 31 Paper · Question 3

题目

Problem

A particle PP is moving in a horizontal straight line. Initially PP is at the point OO on the line and is moving with velocity 25 m s−125\text{ m s}^{-1}. At time t st\text{ s} after passing through OO, the acceleration of PP is 4000(5t+4)3 m s−2\frac{4000}{(5t+4)^3}\text{ m s}^{-2} in the direction POPO. The displacement of PP from OO at time tt is x mx\text{ m}.

Find an expression for xx in terms of tt.

(5)
题目中文翻译

一个质点 PP 沿一条水平直线运动。最初,PP 位于直线上的点 OO,并以速度 25 m s−125\text{ m s}^{-1} 运动。在经过 OO 后的 t st\text{ s} 时,PP 的加速度大小为 4000(5t+4)3 m s−2\frac{4000}{(5t+4)^3}\text{ m s}^{-2},方向为 POPO。在时刻 tt,PP 相对于 OO 的位移为 x mx\text{ m}。

求 xx 用 tt 表示的表达式。

(5)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

Where a numerical value for the acceleration due to gravity (gg) is needed, use 10 m s−210\,\mathrm{m\,s^{-2}}.

需要使用重力加速度 gg 的数值时,取 10 m s−210\,\mathrm{m\,s^{-2}}。

解答

解法一

思路

展开

沿初速度取正,PP 离开 OO 后,指向 OO 的加速度为负。先对加速度积分得到速度,再积分求位移,每次都用初值。

答题过程

展开

On the forward branch,

dvdt=−4000(5t+4)3.\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-\frac{4000}{(5t+4)^3}.

Integrating gives

v= −4000∫(5t+4)−3 dt= −40005(5t+4)−2−2+C= 400(5t+4)2+C.\begin{align*} v=&\,-4000\int(5t+4)^{-3}\,\mathrm{d}t\\[4mm] =&\,-\frac{4000}{5}\frac{(5t+4)^{-2}}{-2}+C\\[4mm] =&\,\frac{400}{(5t+4)^2}+C. \end{align*}

Using v=25v=25 at t=0t=0 gives 25=400/16+C25=400/16+C, so C=0C=0. Thus vv remains positive for all t≥0t\ge0, so PP continues moving away from OO and the acceleration has the assumed sign. Integrating again,

x= 400∫(5t+4)−2 dt= 4005(5t+4)−1−1+D.\begin{align*} x=&\,400\int(5t+4)^{-2}\,\mathrm{d}t\\[4mm] =&\,\frac{400}{5}\frac{(5t+4)^{-1}}{-1}+D. \end{align*}

Therefore

x=−805t+4+D.x=-\frac{80}{5t+4}+D.

Using x=0x=0 at t=0t=0 gives D=20D=20. Therefore

x= 20−805t+4= 20(5t+4)−805t+4= 100t5t+4.\begin{align*} x=&\,20-\frac{80}{5t+4}\\[4mm] =&\,\frac{20(5t+4)-80}{5t+4}\\[4mm] =&\,\frac{100t}{5t+4}. \end{align*}