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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2024 November Paper 33 Q6

A Level / CIE / FM

CIE 9231 2024 Nov Paper 33 Paper · Question 6

题目

Problem

A particle PP of mass 0.05 kg0.05\text{ kg} is attached to one end of a light inextensible string of length 1 m1\text{ m}. The other end of the string is attached to a fixed point OO. A particle QQ of mass 0.04 kg0.04\text{ kg} is attached to one end of a second light inextensible string. The other end of this string is attached to PP.

The particle PP moves in a horizontal circle of radius 0.8 m0.8\text{ m} with angular speed ω rad s−1\omega\text{ rad s}^{-1}. The particle QQ moves in a horizontal circle of radius 1.4 m1.4\text{ m} also with angular speed ω rad s−1\omega\text{ rad s}^{-1}. The centres of the circles are vertically below OO, and OO, PP and QQ are always in the same vertical plane. The strings OPOP and PQPQ remain at constant angles α\alpha and β\beta respectively to the vertical (see diagram).

(a) Find the tension in the string OPOP.

(3)

(b) Find the value of ω\omega.

(3)

(c) Find the value of β\beta.

(2)
题目中文翻译

质量为 0.05 kg0.05\text{ kg} 的质点 PP 连接在一根长为 1 m1\text{ m} 的不可伸长轻绳的一端。绳的另一端连接在固定点 OO。质量为 0.04 kg0.04\text{ kg} 的质点 QQ 连接在第二根不可伸长轻绳的一端,该绳的另一端连接在 PP 上。

质点 PP 以角速率 ω rad s−1\omega\text{ rad s}^{-1} 在半径为 0.8 m0.8\text{ m} 的水平圆周上运动。质点 QQ 也以角速率 ω rad s−1\omega\text{ rad s}^{-1} 在半径为 1.4 m1.4\text{ m} 的水平圆周上运动。两个圆的圆心均位于 OO 的正下方,且 OO、PP 和 QQ 始终位于同一竖直平面内。绳 OPOP 和 PQPQ 与竖直方向分别保持恒定夹角 α\alpha 和 β\beta(见图)。

(a) 求绳 OPOP 中的张力。

(3)

(b) 求 ω\omega 的值。

(3)

(c) 求 β\beta 的值。

(2)
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

分别对两粒子列竖直平衡方程,相加后消去 PQPQ 张力的竖直分量。由 OPOP 的长度和圆周半径求 cos⁡α\cos\alpha。

答题过程

展开

Let T1T_1 and T2T_2 be the tensions in OPOP and PQPQ. Since sin⁡α=0.8/1\sin\alpha=0.8/1, we have cos⁡α=0.6\cos\alpha=0.6. The vertical equations for PP and QQ are

T1cos⁡α= T2cos⁡β+0.05g,T2cos⁡β= 0.04g.\begin{align*} T_1\cos\alpha=&\,T_2\cos\beta+0.05g,\\[4mm] T_2\cos\beta=&\,0.04g. \end{align*}

Thus 0.6T1=0.09g0.6T_1=0.09g, giving T1=1.5 NT_1=1.5\,\mathrm{N}.

解法二

思路

展开

也可将两个粒子视为整体。PQPQ 的张力是内力,竖直方向只需考虑 OPOP 张力与总重力。

答题过程

展开

The total mass of the two particles is 0.09 kg0.09\,\mathrm{kg}. The internal forces in PQPQ cancel, and the system has no vertical acceleration. Thus

T1cos⁡α=0.09g.T_1\cos\alpha=0.09g.

Since cos⁡α=1−0.82=0.6\cos\alpha=\sqrt{1-0.8^2}=0.6, this gives T1=1.5 NT_1=1.5\,\mathrm{N}.

(b)

解法一

思路

展开

分别沿两个圆周的向心方向列式。PQPQ 的水平分量对 PP 向外、对 QQ 向内,相加后消去。

答题过程

展开

The inward radial equations for PP and QQ are

T1sin⁡α−T2sin⁡β= 0.05(0.8)ω2,T2sin⁡β= 0.04(1.4)ω2.\begin{align*} T_1\sin\alpha-T_2\sin\beta=&\,0.05(0.8)\omega^2,\\[4mm] T_2\sin\beta=&\,0.04(1.4)\omega^2. \end{align*}

Adding gives 1.5(0.8)=0.096ω21.5(0.8)=0.096\omega^2. Hence

ω2= 1.20.096=12.5,ω= 522 rad s−1.\begin{align*} \omega^2=&\,\frac{1.2}{0.096}=12.5,\\[4mm] \omega=&\,\boxed{\frac{5\sqrt2}{2}\,\mathrm{rad\,s^{-1}}}. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

用 QQ 的竖直平衡与径向方程分别求 PQPQ 张力的两个分量。取两者之比即可得到角度。

答题过程

展开

For QQ, we have T2cos⁡β=0.04(10)=0.4 NT_2\cos\beta=0.04(10)=0.4\,\mathrm{N} and T2sin⁡β=0.04(1.4)(12.5)=0.7 NT_2\sin\beta=0.04(1.4)(12.5)=0.7\,\mathrm{N}. Therefore

tan⁡β= 0.70.4=74,β= 60.3∘.\begin{align*} \tan\beta=&\,\frac{0.7}{0.4}=\frac74,\\[4mm] \beta=&\,60.3^\circ. \end{align*}