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CalcGospel 國際數學圖譜
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M2 2022 June Q2

A Level / Edexcel / M2

IAL 2022 June Paper · Question 2

题目

Problem

2.

The point AA lies on a smooth horizontal floor between two fixed smooth parallel vertical walls WXWX and YZYZ, as shown in the plan view in Figure 1. The distance between WXWX and YZYZ is 3d3d. The distance of AA from YZYZ is dd. A particle is projected from AA along the floor with speed uu towards YZYZ in a direction perpendicular to YZYZ.

The coefficient of restitution between the particle and each wall is 23\frac23

The time taken for the particle to move from AA, bounce off each wall once and return to AA for the first time is T1T_1

(a) Find T1T_1 in terms of dd and uu.

(5)

The ball returns to AA for the first time after bouncing off each wall once. The further time taken for the particle to move from AA, bounce off each wall once and return to AA for the second time is T2T_2

(b) Find T2T_2 in terms of dd and uu.

(1)
题目中文翻译

如图 1 的俯视图所示,AA 点位于两面固定、光滑、相互平行的竖直墙 WXWX 与 YZYZ 之间的光滑水平地面上。 WXWX 与 YZYZ 之间的距离为 3d3d。 AA 到 YZYZ 的距离为 dd。 从 AA 点沿地面以速率 uu,沿垂直于 YZYZ 的方向向 YZYZ 发射一个质点。

质点与每面墙之间的恢复系数均为 23\frac23。

质点从 AA 出发,分别从每面墙反弹一次后第一次回到 AA 所用的时间为 T1T_1。

(a) 用 dd 和 uu 表示 T1T_1。

(5)

小球分别从每面墙反弹一次后第一次回到 AA。 质点再次从 AA 出发,分别从每面墙反弹一次后第二次回到 AA,额外所用的时间为 T2T_2。

(b) 用 dd 和 uu 表示 T2T_2。

(1)

解答

(a)

解法一

思路

展开

按题目指定的完整路线 A→YZ→WX→AA\to YZ\to WX\to A,三段路程分别为 dd、3d3d、2d2d。每次撞固定墙后,速率乘 2/32/3;中途仅经过 AA 而尚未碰两面墙,不是本问指定的完整返回路线。

答题过程

展开

For the route specified in the question, the particle travels from AA to YZYZ, then to WXWX, then back to AA.

The speeds on these three stages are respectively

u,23u,(23)2u=49u.u,\qquad\frac23u,\qquad\left(\frac23\right)^2u=\frac49u.

The corresponding distances are dd, 3d3d and 2d2d. Therefore

T1=du+3d(2/3)u+2d(4/9)u.T_1=\frac du+\frac{3d}{(2/3)u}+\frac{2d}{(4/9)u}.

Simplifying,

T1=du+9d2u+9d2u.T_1=\frac du+\frac{9d}{2u}+\frac{9d}{2u}.

Hence

T1=10du.\boxed{T_1=\frac{10d}{u}}.

(b)

解法一

思路

展开

完成上述路线后,质点在 AA 的运动方向与最初相同,但速率变成 4u/94u/9。下一次完整往返路线完全相同,时间按速率的倒数放大;T2T_2 是额外时间,不是从最初起算的总时间。

答题过程

展开

At the end of the first specified round trip, the particle is again at AA moving towards YZYZ, with speed 4u/94u/9.

The next round trip follows the same sequence of distances, so replace uu in (a) by 4u/94u/9:

T2=10d(4/9)u.T_2=\frac{10d}{(4/9)u}.

Thus the further time is

T2=45d2u.\boxed{T_2=\frac{45d}{2u}}.