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CIE 9231 2024 November Paper 33 Q5

A Level / CIE / FM

CIE 9231 2024 Nov Paper 33 Paper · Question 5

题目

Problem

A particle PP of mass 2 kg2\text{ kg} moving on a horizontal 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 only horizontal force acting on PP is a variable force F NF\text{ N} which can be expressed as a function of tt. It is given that

vx=3−t1+t\frac{v}{x}=\frac{3-t}{1+t}

and when t=0t=0, x=5x=5.

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

(4)

(b) Find the magnitude of FF when t=3t=3.

(3)
题目中文翻译

质量为 2 kg2\text{ kg} 的质点 PP 沿一条水平直线运动。在时刻 t st\text{ s},它相对于该直线上固定点 OO 的位移为 x mx\text{ m},速度为 v m s−1v\text{ m s}^{-1}。作用在 PP 上唯一的水平力是变力 F NF\text{ N},该力可以表示为 tt 的函数。已知

vx=3−t1+t\frac{v}{x}=\frac{3-t}{1+t}

且当 t=0t=0 时,x=5x=5。

(a) 求 xx 关于 tt 的表达式。

(4)

(b) 求 t=3t=3 时 FF 的大小。

(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

把 vv 写成 xx 的时间导数。分离变量后,先把右边拆成容易积分的两项。

答题过程

展开

As v=dx/dtv=\mathrm{d}x/\mathrm{d}t,

1xdxdt=3−t1+t=41+t−1.\frac1x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\frac{3-t}{1+t}=\frac4{1+t}-1.

Separating variables and integrating gives

∫1x dx= ∫(41+t−1) dt,ln⁡∣x∣= 4ln⁡(1+t)−t+C.\begin{align*} \int\frac1x\,\mathrm{d}x=&\,\int\bigg(\frac4{1+t}-1\bigg)\,\mathrm{d}t,\\[4mm] \ln|x|=&\,4\ln(1+t)-t+C. \end{align*}

Here 1+t>01+t>0 for t≥0t\ge0. The initial value x=5x=5 selects the positive branch and C=ln⁡5C=\ln 5. Hence

x=5(1+t)4e−t.x=5(1+t)^4e^{-t}.

(b)

解法一

思路

展开

用题给的 v/xv/x 和上一问的 xx 写出速度。求 t=3t=3 的导数时,所有仍含因子 (3−t)(3-t) 的项都为零。

答题过程

展开

The velocity is v=5(3−t)(1+t)3e−tv=5(3-t)(1+t)^3e^{-t}. The product rule gives

dvdt= −5(1+t)3e−t +15(3−t)(1+t)2e−t −5(3−t)(1+t)3e−t.\begin{align*} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=&\,-5(1+t)^3e^{-t}\\[4mm] &\,\hspace{2pt}+15(3-t)(1+t)^2e^{-t}\\[4mm] &\,\hspace{4pt}-5(3-t)(1+t)^3e^{-t}. \end{align*}

At t=3t=3, the last two terms vanish, so

dvdt∣t=3=−5(1+3)3e−3=−320e−3.\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\bigg|_{t=3} =-5(1+3)^3e^{-3}=-320e^{-3}.

The mass is 2 kg2\,\mathrm{kg}, so the magnitude of the force is 640e−3 N640e^{-3}\,\mathrm{N}, approximately 31.9 N31.9\,\mathrm{N}.