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CalcGospel 國際數學圖譜
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M1 2025 June Q7

A Level / Edexcel / M1

IAL 2025 June Paper · Question 7

题目

Problem

7.

[In this question i\mathbf{i} and j\mathbf{j} are horizontal unit vectors.]

Two boats, AA and BB, are each moving with constant acceleration.

At time tt hours after noon, boat AA has velocity vA km h−1\mathbf{v}_A\,\mathrm{km\,h^{-1}}, where

vA=2i+3j+(i−4j)t\mathbf{v}_A=2\mathbf{i}+3\mathbf{j}+(\mathbf{i}-4\mathbf{j})t

(a) Find the magnitude of the acceleration of AA.

(2)

When t=2t=2, the velocity of BB is (4i+j) km h−1(4\mathbf{i}+\mathbf{j})\,\mathrm{km\,h^{-1}}

When t=5t=5, the velocity of BB is (i−5j) km h−1(\mathbf{i}-5\mathbf{j})\,\mathrm{km\,h^{-1}}

(b) Find the acceleration of BB, giving your answer in terms of i\mathbf{i} and j\mathbf{j}.

(2)

(c) Find the velocity of BB at time t=0t=0, giving your answer in terms of i\mathbf{i} and j\mathbf{j}.

(2)

At time T1T_1 hours after noon, both boats are moving with the same speed.

(d) Find the exact value of T1T_1

(4)

At time T2T_2 hours after noon, both boats are moving in the same direction.

(e) Show that 3T22+pT2+q=03T_2^2+pT_2+q=0, where pp and qq are integers to be found.

(3)
题目中文翻译

[本题中,i\mathbf{i} 和 j\mathbf{j} 为水平单位向量。]

两艘船 AA 和 BB 各自以恒定加速度运动。

正午之后 tt 小时时,船 AA 的速度为 vA km h−1\mathbf{v}_A\,\mathrm{km\,h^{-1}},其中

vA=2i+3j+(i−4j)t\mathbf{v}_A=2\mathbf{i}+3\mathbf{j}+(\mathbf{i}-4\mathbf{j})t

(a) 求 AA 的加速度大小。

(2)

当 t=2t=2 时,BB 的速度为 (4i+j) km h−1(4\mathbf{i}+\mathbf{j})\,\mathrm{km\,h^{-1}}。

当 t=5t=5 时,BB 的速度为 (i−5j) km h−1(\mathbf{i}-5\mathbf{j})\,\mathrm{km\,h^{-1}}。

(b) 求 BB 的加速度,用 i\mathbf{i} 和 j\mathbf{j} 表示。

(2)

(c) 求 t=0t=0 时 BB 的速度,用 i\mathbf{i} 和 j\mathbf{j} 表示。

(2)

正午之后 T1T_1 小时时,两船的速率相同。

(d) 求 T1T_1 的精确值。

(4)

正午之后 T2T_2 小时时,两船的运动方向相同。

(e) 证明 3T22+pT2+q=03T_2^2+pT_2+q=0,并求出其中的整数 pp 和 qq。

(3)

解答

(a)

解法一

思路

展开

恒加速度就是速度表达式中 tt 的系数向量,再取向量的模。

答题过程

展开

The acceleration of AA is

aA=i−4j km h−2.\mathbf a_A=\mathbf i-4\mathbf j\ \mathrm{km\,h^{-2}}.

Its magnitude is

∣aA∣=12+(−4)2=17 km h−2.|\mathbf a_A|=\sqrt{1^2+(-4)^2}=\boxed{\sqrt{17}\ \mathrm{km\,h^{-2}}}.

(b)

解法一

思路

展开

用两时刻速度之差除以时间差 3 小时,最终保留向量形式。

答题过程

展开

The constant acceleration of BB is

aB= (i−5j)−(4i+j)5−2,= (−i−2j) km h−2.\begin{align*} \mathbf a_B=&\,\frac{(\mathbf i-5\mathbf j)-(4\mathbf i+\mathbf j)}{5-2},\\ =&\,\boxed{(-\mathbf i-2\mathbf j)\ \mathrm{km\,h^{-2}}}. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

从第 2 小时的速度倒推两小时,初速度等于该速度减去 2aB2\mathbf a_B。

答题过程

展开

Using vB=uB+taB\mathbf v_B=\mathbf u_B+t\mathbf a_B at t=2t=2,

uB= (4i+j)−2(−i−2j),= (6i+5j) km h−1.\begin{align*} \mathbf u_B=&\,(4\mathbf i+\mathbf j)-2(-\mathbf i-2\mathbf j),\\ =&\,\boxed{(6\mathbf i+5\mathbf j)\ \mathrm{km\,h^{-1}}}. \end{align*}

(d)

解法一

思路

展开

速率相等只要求速度向量的模相等,不要求两分量相同。把模平方相等展开,解二次式后用正午之后的时间条件选正根。

答题过程

展开

At time tt,

vA=(2+t)i+(3−4t)j,vB=(6−t)i+(5−2t)j.\mathbf v_A=(2+t)\mathbf i+(3-4t)\mathbf j,\qquad \mathbf v_B=(6-t)\mathbf i+(5-2t)\mathbf j.

For equal speeds at t=T1t=T_1,

(6−T1)2+(5−2T1)2=(2+T1)2+(3−4T1)2.(6-T_1)^2+(5-2T_1)^2 =(2+T_1)^2+(3-4T_1)^2.

Expanding both sides,

5T12−32T1+61= 17T12−20T1+13,12T12+12T1−48= 0,T12+T1−4= 0.\begin{align*} 5T_1^2-32T_1+61=&\,17T_1^2-20T_1+13,\\ 12T_1^2+12T_1-48=&\,0,\\ T_1^2+T_1-4=&\,0. \end{align*}

Thus T1=(−1±17)/2T_1=(-1\pm\sqrt{17})/2. Since T1>0T_1>0,

T1=17−12.\boxed{T_1=\frac{\sqrt{17}-1}{2}}.

(e)

解法一

思路

展开

同方向要求速度向量为正倍数,分量比必相等。先交叉相乘并完整展开,再与题目指定的形式比较系数。

答题过程

展开

For the velocities to have the same direction at t=T2t=T_2, their component ratios must agree:

5−2T26−T2=3−4T22+T2.\frac{5-2T_2}{6-T_2}=\frac{3-4T_2}{2+T_2}.

Cross-multiplying and expanding,

(5−2T2)(2+T2)= (3−4T2)(6−T2),10+T2−2T22= 18−27T2+4T22,6T22−28T2+8= 0.\begin{align*} (5-2T_2)(2+T_2)=&\,(3-4T_2)(6-T_2),\\ 10+T_2-2T_2^2=&\,18-27T_2+4T_2^2,\\ 6T_2^2-28T_2+8=&\,0. \end{align*}

Dividing by 2 gives

3T22−14T2+4=0,\boxed{3T_2^2-14T_2+4=0},

so p=−14, q=4\boxed{p=-14,\ q=4}.

The two roots are (7±37)/3(7\pm\sqrt{37})/3, both between 0 and 6. At either root, the i\mathbf i components 2+T22+T_2 and 6−T26-T_2 are positive, so the proportionality factor is positive, consistent with the same direction.