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CIE 9231 2022 June Paper 32 Q7

A Level / CIE / FM

CIE 9231 2022 June Paper 32 Paper · Question 7

题目

Problem

Particles PP and QQ are projected in the same vertical plane from a point OO at the top of a cliff. The height of the cliff exceeds 50 m50\text{ m}. Both particles move freely under gravity. Particle PP is projected with speed 352 m s−1\frac{35}2\text{ m s}^{-1} at an angle α\alpha above the horizontal, where tan⁡α=43\tan\alpha=\frac43. Particle QQ is projected with speed u m s−1u\text{ m s}^{-1} at an angle β\beta above the horizontal, where tan⁡β=12\tan\beta=\frac12. Particle QQ is projected one second after the projection of particle PP. The particles collide T sT\text{ s} after the projection of particle QQ.

(a) Write down expressions, in terms of TT, for the horizontal displacements of PP and QQ from OO when they collide and hence show that 4uT=215(T+1)4uT=21\sqrt5(T+1).

(4)

(b) Find the value of TT.

(4)

(c) Find the horizontal and vertical displacements of the particles from OO when they collide.

(3)
题目中文翻译

质点 PP 和 QQ 从悬崖顶端的点 OO 在同一竖直平面内射出。悬崖的高度超过 50 m50\text{ m}。两个质点都仅在重力作用下自由运动。质点 PP 以速率 352 m s−1\frac{35}2\text{ m s}^{-1}、与水平向上成 α\alpha 角射出,其中 tan⁡α=43\tan\alpha=\frac43。质点 QQ 以速率 u m s−1u\text{ m s}^{-1}、与水平向上成 β\beta 角射出,其中 tan⁡β=12\tan\beta=\frac12。质点 QQ 在质点 PP 射出一秒后射出。两质点在质点 QQ 射出 T sT\text{ s} 后碰撞。

(a) 写出两质点碰撞时 PP 和 QQ 相对于 OO 的水平位移的表达式,用 TT 表示,并由此证明 4uT=215(T+1)4uT=21\sqrt5(T+1)。

(4)

(b) 求 TT 的值。

(4)

(c) 求两质点碰撞时相对于 OO 的水平位移和竖直位移。

(3)
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

(a)

解法一

思路

展开

碰撞时 PP 比 QQ 多飞行一秒。由两个正切值求对应的余弦,再让两者的水平位移相等。

答题过程

展开

The horizontal displacements at the collision are

xP= 35235(T+1)=212(T+1),xQ= u25T.\begin{align*} x_P=&\,\frac{35}{2}\frac35(T+1)=\frac{21}{2}(T+1),\\[4mm] x_Q=&\,u\frac2{\sqrt5}T. \end{align*}

Equating these and multiplying by 252\sqrt5 gives

212(T+1)= 2uT5,4uT= 215(T+1).\begin{align*} \frac{21}{2}(T+1)=&\,\frac{2uT}{\sqrt5},\\[4mm] 4uT=&\,21\sqrt5(T+1). \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

用相同的飞行时间分别写竖直位移。因为 uTuT 已由水平方程求出,可直接消去 uu。

答题过程

展开

The vertical displacements are

yP= 14(T+1)−5(T+1)2,yQ= uT5−5T2.\begin{align*} y_P=&\,14(T+1)-5(T+1)^2,\\[4mm] y_Q=&\,\frac{uT}{\sqrt5}-5T^2. \end{align*}

At impact these are equal. Using uT/5=214(T+1)uT/\sqrt5=\frac{21}{4}(T+1) from part (a) gives

14(T+1)−5[(T+1)2−T2]= 214(T+1),14(T+1)−5(2T+1)= 214(T+1).\begin{align*} 14(T+1)-5\big[(T+1)^2-T^2\big]=&\,\frac{21}{4}(T+1),\\[4mm] 14(T+1)-5(2T+1)=&\,\frac{21}{4}(T+1). \end{align*}

Hence 16T+36=21T+2116T+36=21T+21, so T=3 sT=3\,\mathrm{s}.

(c)

解法一

思路

展开

用 PP 的运动求两种位移。它在碰撞时已经飞行 T+1=4T+1=4 秒。

答题过程

展开

At collision,

x= 212(4)=42 m,y= 14(4)−5(4)2=−24 m.\begin{align*} x=&\,\frac{21}{2}(4)=42\,\mathrm{m},\\[4mm] y=&\,14(4)-5(4)^2=-24\,\mathrm{m}. \end{align*}

Thus the particles are 42 m42\,\mathrm{m} horizontally from OO and 24 m24\,\mathrm{m} below it.