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CalcGospel 國際數學圖譜
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M2 2024 Jan Q2

A Level / Edexcel / M2

IAL 2024 Jan Paper · Question 2

题目

Problem

2.

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

A particle QQ of mass 0.5 kg0.5\,\mathrm{kg} is moving on a smooth horizontal surface. Particle QQ is moving with velocity (3i+j) m s−1(3\mathbf{i}+\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}} when it receives an impulse of (2i+5j) N s(2\mathbf{i}+5\mathbf{j})\,\mathrm{N\,s}.

(a) Find the speed of QQ immediately after receiving the impulse.

(4)

As a result of receiving the impulse, the direction of motion of QQ is turned through an angle θ∘\theta^\circ

(b) Find the value of θ\theta

(2)
题目中文翻译

[ 本题中,i\mathbf{i}、j\mathbf{j} 为沿水平方向且相互垂直的单位向量。 ]

质量为 0.5 kg0.5\,\mathrm{kg} 的质点 QQ 在光滑水平面上运动。质点 QQ 正以速度 (3i+j) m s−1(3\mathbf{i}+\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}} 运动,随后受到冲量 (2i+5j) N s(2\mathbf{i}+5\mathbf{j})\,\mathrm{N\,s}。

(a) 求 QQ 受到冲量后瞬间的速率。

(4)

受到冲量使 QQ 的运动方向转过 θ∘\theta^\circ 角。

(b) 求 θ\theta 的值。

(2)

解答

(a)

解法一

思路

展开

冲量等于质量乘速度变化,先求末速度向量,再取模得到速率。

答题过程

展开

By impulse-momentum,

2i+5j=0.5[v−(3i+j)].2\mathbf i+5\mathbf j=0.5\bigl[\mathbf v-(3\mathbf i+\mathbf j)\bigr].

Thus

v=(3i+j)+2(2i+5j)=7i+11j.\mathbf v=(3\mathbf i+\mathbf j)+2(2\mathbf i+5\mathbf j)=7\mathbf i+11\mathbf j.

The speed is therefore

∣v∣=72+112=170 m s−1.\boxed{|\mathbf v|=\sqrt{7^2+11^2}=\sqrt{170}\text{ m s}^{-1}}.

(b)

解法一

思路

展开

初末速度都在第一象限,偏转角等于两方向角之差。注意求的是两速度之间的夹角,不是末速度对坐标轴的角。

答题过程

展开

Both velocity vectors lie in the first quadrant. Their angles to positive i\mathbf i are respectively

tan⁡−1(13),tan⁡−1(117).\tan^{-1}\left(\frac13\right),\qquad \tan^{-1}\left(\frac{11}{7}\right).

Hence the turning angle is

θ=tan⁡−1(117)−tan⁡−1(13),\theta=\tan^{-1}\left(\frac{11}{7}\right)-\tan^{-1}\left(\frac13\right),

and therefore

θ=39.1∘.\boxed{\theta=39.1^\circ}.

解法二

思路

展开

也可用数量积直接求两速度的夹角,无须分别找方向角。

答题过程

展开

With u=3i+j\mathbf u=3\mathbf i+\mathbf j and v=7i+11j\mathbf v=7\mathbf i+11\mathbf j,

u⋅v=3(7)+1(11)=32.\mathbf u\cdot\mathbf v=3(7)+1(11)=32.

Therefore

cos⁡θ=u⋅v∣u∣∣v∣=3210170.\cos\theta=\frac{\mathbf u\cdot\mathbf v}{|\mathbf u||\mathbf v|}=\frac{32}{\sqrt{10}\sqrt{170}}.

Thus

θ=39.1∘.\boxed{\theta=39.1^\circ}.