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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2023 June Paper 32 Q6

A Level / CIE / FM

CIE 9231 2023 June Paper 32 Paper · Question 6

题目

Problem

A particle PP moving in a straight line has displacement x mx\text{ m} from a fixed point OO on the line and velocity v m s−1v\text{ m s}^{-1} at time t st\text{ s}. The acceleration of PP, in m s−2\text{m s}^{-2}, is given by 6vv+96v\sqrt{v+9}. When t=0t=0, x=2x=2 and v=72v=72.

(a) Find an expression for vv in terms of xx.

(4)

(b) Find an expression for xx in terms of tt.

(5)
题目中文翻译

一个沿直线运动的质点 PP 在 t st\text{ s} 时,相对于直线上固定点 OO 的位移为 x mx\text{ m},速度为 v m s−1v\text{ m s}^{-1}。PP 的加速度以 m s−2\text{m s}^{-2} 为单位,由 6vv+96v\sqrt{v+9} 给出。当 t=0t=0 时,x=2x=2 且 v=72v=72。

(a) 求 vv 关于 xx 的表达式。

(4)

(b) 求 xx 关于 tt 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

(a)

解法一

思路

展开

用 v dv/dxv\,\mathrm{d}v/\mathrm{d}x 表示加速度。在从 v=72v=72 出发的正速度分支约去 vv,积分后代入初值。

答题过程

展开

On the branch starting with v=72v=72,

vdvdx=6vv+9.v\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x}=6v\sqrt{v+9}.

Here vv starts positive and increases, so it may be cancelled. Separating variables gives

∫72vdss+9=∫2x6 dξ.\int_{72}^v\frac{\mathrm{d}s}{\sqrt{s+9}}=\int_2^x6\,\mathrm{d}\xi.

Evaluating gives

[2s+9]72v= 6(x−2),2v+9−18= 6x−12,v+9= 3(x+1).\begin{align*} \big[2\sqrt{s+9}\big]_{72}^v=&\,6(x-2),\\[4mm] 2\sqrt{v+9}-18=&\,6x-12,\\[4mm] \sqrt{v+9}=&\,3(x+1). \end{align*}

Thus v=9(x+1)2−9=9x(x+2)v=9(x+1)^2-9=9x(x+2) for the forward motion from x=2x=2.

(b)

解法一

思路

展开

用上一问的结果写出关于 xx 和 tt 的微分方程。分母分解为 x(x+2)x(x+2),再用部分分式积分。

答题过程

展开

Since dx/dt=9x(x+2)\mathrm{d}x/\mathrm{d}t=9x(x+2),

1s(s+2)= 12(1s−1s+2),9t= ∫2xdss(s+2)= 12[ln⁡ss+2]2x= 12ln⁡2xx+2.\begin{align*} \frac1{s(s+2)}=&\,\frac12\bigg(\frac1s-\frac1{s+2}\bigg),\\[4mm] 9t=&\,\int_2^x\frac{\mathrm{d}s}{s(s+2)}\\[4mm] =&\,\frac12\bigg[\ln\frac{s}{s+2}\bigg]_2^x\\[4mm] =&\,\frac12\ln\frac{2x}{x+2}. \end{align*}

Here x≥2x\ge2, so the logarithm arguments are positive. Exponentiating gives e18t=2x/(x+2)e^{18t}=2x/(x+2), hence (x+2)e18t=2x(x+2)e^{18t}=2x and x(2−e18t)=2e18tx(2-e^{18t})=2e^{18t}. Therefore

x=2e18t2−e18t.x=\frac{2e^{18t}}{2-e^{18t}}.

The finite forward solution is defined for 0≤t<(ln⁡2)/180\le t<(\ln 2)/18.