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CalcGospel 國際數學圖譜
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M3 2026 Jan A Q3

A Level / Edexcel / M3

IAL 2026 Jan A Paper · Question 3

题目

Problem

3.

A particle PP is moving in a straight line with simple harmonic motion about the fixed point OO as centre.

When PP is a distance 0.02 m0.02\,\mathrm{m} from OO, the speed of PP is 0.3 m s−10.3\,\mathrm{m\,s^{-1}} and the magnitude of the acceleration of PP is 0.5 m s−20.5\,\mathrm{m\,s^{-2}}

(a) Find the period of the motion.

(4)

The amplitude of the motion is aa metres.

Find

(b) the value of aa,

(3)

(c) the total length of time during each complete oscillation for which PP is within 12a\dfrac12a metres of OO.

(4)
题目中文翻译

质点 PP 以固定点 OO 为中心沿直线做简谐运动。

PP 距 OO 为 0.02 m0.02\,\mathrm{m} 时,速率为 0.3 m s−10.3\,\mathrm{m\,s^{-1}},加速度大小为 0.5 m s−20.5\,\mathrm{m\,s^{-2}}。

(a) 求运动的周期。

(4)

运动振幅为 aa 米。

求

(b) aa 的值;

(3)

(c) 每次完整振动中,PP 距 OO 不超过 12a\dfrac12a 米的总时间。

(4)

解答

(a)

解法一

思路

展开

简谐运动的加速度大小是 ω2∣x∣\omega^2|x|。先求角频率,再求周期,不要把给出的加速度大小当成带符号的加速度。

答题过程

展开

For SHM, x¨=−ω2x\ddot x=-\omega^2x. Using the given acceleration magnitude and distance,

0.5=ω2(0.02)⟹ω2=25,ω=5 s−1.0.5=\omega^2(0.02) \quad\Longrightarrow\quad \omega^2=25,\quad \omega=5\ \mathrm{s^{-1}}.

The period is therefore

T=2πω=2π5 s.\boxed{\mathcal T=\frac{2\pi}{\omega}=\frac{2\pi}{5}\ \mathrm s.}

(b)

解法一

思路

展开

将同一位置处的速率代入 v2=ω2(a2−x2)v^2=\omega^2(a^2-x^2),求出振幅。

答题过程

展开

For SHM,

v2=ω2(a2−x2).v^2=\omega^2(a^2-x^2).

Thus

0.32=25(a2−0.022),a2=0.0925+0.0004=0.004.0.3^2=25(a^2-0.02^2), \qquad a^2=\frac{0.09}{25}+0.0004=0.004.

Since the amplitude is positive,

a=1050 m≈0.0632 m.\boxed{a=\frac{\sqrt{10}}{50}\ \mathrm m\approx0.0632\ \mathrm m.}

(c)

解法一

思路

展开

所求是每个完整周期内的累计时间。将计时起点设在中心,求从中心到半振幅的时间;一个周期内有四段这样的时间。

答题过程

展开

Reset time to τ=0\tau=0 when PP passes through OO in the positive direction. Then

x=asin⁡5τ.x=a\sin5\tau.

The first arrival at x=a/2x=a/2 satisfies

sin⁡5τ=12,5τ=π6,τ=π30.\sin5\tau=\frac12, \qquad 5\tau=\frac\pi6, \qquad \tau=\frac\pi{30}.

In each complete oscillation there are two passages through the central region −a/2≤x≤a/2-a/2\le x\le a/2. By symmetry, each passage takes twice the time just found. Therefore the total required time is

4(π30)=2π15 s≈0.419 s.\boxed{4\left(\frac\pi{30}\right)=\frac{2\pi}{15}\ \mathrm s\approx0.419\ \mathrm s.}