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CalcGospel 國際數學圖譜
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M3 2026 June Q7

A Level / Edexcel / M3

IAL 2026 June Paper · Question 7

题目

Problem

7.

A particle QQ moves in a straight line with simple harmonic motion about centre OO.

The maximum speed of QQ is 12 m s−112\,\mathrm{m\,s^{-1}}

When QQ is 2 m2\,\mathrm{m} from OO, the speed of QQ is 45 m s−14\sqrt5\,\mathrm{m\,s^{-1}}

(a) Find the amplitude of the motion.

(4)

The maximum magnitude of the acceleration of QQ is A m s−2A\,\mathrm{m\,s^{-2}}

(b) Find the value of AA.

(1)

(c) Find the length of time, in any one complete oscillation, for which the magnitude of the acceleration of QQ is less than 12A\dfrac12A.

(4)
题目中文翻译

质点 QQ 以 OO 为中心沿直线做简谐运动。

QQ 的最大速率为 12 m s−112\,\mathrm{m\,s^{-1}}。

QQ 距 OO 为 2 m2\,\mathrm{m} 时,速率为 45 m s−14\sqrt5\,\mathrm{m\,s^{-1}}。

(a) 求运动的振幅。

(4)

QQ 的最大加速度大小为 A m s−2A\,\mathrm{m\,s^{-2}}。

(b) 求 AA 的值。

(1)

(c) 求任意一次完整振动中,QQ 的加速度大小小于 12A\dfrac12A 的持续时间。

(4)

解答

(a)

解法一

思路

展开

最大速率为 aωa\omega。先把它平方,再与给定位置处的速率平方相减,消去 a2ω2a^2\omega^2 并求角频率。

答题过程

展开

Let the amplitude be a ma\ \mathrm m and angular frequency be ω\omega. The maximum speed gives

aω=12,a2ω2=144.a\omega=12,\qquad a^2\omega^2=144.

Using v2=ω2(a2−x2)v^2=\omega^2(a^2-x^2) when ∣x∣=2|x|=2,

(45)2=ω2(a2−4),80=a2ω2−4ω2.(4\sqrt5)^2=\omega^2(a^2-4), \qquad 80=a^2\omega^2-4\omega^2.

Subtracting from 144=a2ω2144=a^2\omega^2 gives

64=4ω2,ω=4 s−1.64=4\omega^2,\qquad\omega=4\ \mathrm{s^{-1}}.

Therefore

a=124=3 m.\boxed{a=\frac{12}{4}=3\ \mathrm m.}

(b)

解法一

思路

展开

加速度大小 ω2∣x∣\omega^2|x| 在端点最大。使用第(a)问的振幅和角频率。

答题过程

展开

The maximum acceleration magnitude is

A=aω2=3(4)2=48.A=a\omega^2=3(4)^2=48.

Hence

A=48.\boxed{A=48}.

(c)

解法一

思路

展开

加速度小于最大值的一半,等价于位移大小小于振幅的一半。一个周期内有两次经过这个中心区间,需要累计四段中心到边界的时间。

答题过程

展开

Since ∣x¨∣=ω2∣x∣|\ddot x|=\omega^2|x| and A=ω2aA=\omega^2a,

∣x¨∣<A2⟺∣x∣<a2.|\ddot x|<\frac A2\quad\Longleftrightarrow\quad |x|<\frac a2.

Reset t=0t=0 at a passage through OO in the positive direction, so that

x=asin⁡4t.x=a\sin4t.

The first arrival at x=a/2x=a/2 occurs when

sin⁡4t=12,4t=π6,t=π24.\sin4t=\frac12,\qquad 4t=\frac\pi6,\qquad t=\frac\pi{24}.

By symmetry there are four such time intervals in a complete oscillation. Excluding the isolated equality instants does not change their total duration. Hence the required time is

4(π24)=π6 s≈0.524 s.\boxed{4\left(\frac\pi{24}\right)=\frac\pi6\ \mathrm s\approx0.524\ \mathrm s.}