NJC JC1 Promo 9758/2019/Q6 一个容器是通过从一个半顶角为 α\alpha 的大圆锥中切去一个半径为 5 m 的小圆锥而制成的,其中 tan⁡α=0.5\tan\alpha = 0.5。水以 kh m3 per minutek\sqrt{h}\ \mathrm{m^{3}\ per\ minute} 的速率流出该容器,其中 kk 是一个正常数。在时间 tt 分钟时,水面距离小孔的高度为 h mh\ \mathrm{m}(见图)。

  1. ((i))

    证明:水的体积 VV(单位为 m3^{3})由下式给出:112π[(h+10)3−1000]\dfrac{1}{12}\pi\bigl[(h+10)^{3} - 1000\bigr]。

  2. ((ii))

    求当 V=120πV = 120\pi 时,hh 的变化率(用 kk 表示)。

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完整解法

4((i))

1. Determine the radius of the water surface in terms of $h$.

Let the total distance from the imaginary apex to the water surface be HH. Since the hole is 10 m10\text{ m} from the apex, H=h+10H = h + 10.
Let the radius of the water surface be rr.
Using the semi-vertical angle α\alpha, we have:
tan⁡α=rH  ⟹  0.5=rh+10\tan \alpha = \frac{r}{H} \implies 0.5 = \frac{r}{h + 10}
r=0.5(h+10)r = 0.5(h + 10)

2. Express the volume of the cone from the imaginary apex up to the water surface.

Vlarge=13πr2HV_{\text{large}} = \frac{1}{3}\pi r^2 H
Vlarge=13π[0.5(h+10)]2(h+10)V_{\text{large}} = \frac{1}{3}\pi \left[0.5(h+10)\right]^2 (h+10)
Vlarge=13π(0.25)(h+10)2(h+10)V_{\text{large}} = \frac{1}{3}\pi (0.25)(h+10)^2(h+10)
Vlarge=112π(h+10)3V_{\text{large}} = \frac{1}{12}\pi(h+10)^3

3. Calculate the volume of the removed smaller cone.

The smaller cone has a base radius of 5 m5\text{ m} and a height of 10 m10\text{ m}.
Vsmall=13π(5)2(10)V_{\text{small}} = \frac{1}{3}\pi (5)^2 (10)
Vsmall=2503πV_{\text{small}} = \frac{250}{3}\pi

4. Subtract to find the volume of the water and simplify to the required form.

V=Vlarge−VsmallV = V_{\text{large}} - V_{\text{small}}
V=112π(h+10)3−2503πV = \frac{1}{12}\pi(h+10)^3 - \frac{250}{3}\pi
Expressing with a common denominator of 1212:
V=112π(h+10)3−100012πV = \frac{1}{12}\pi(h+10)^3 - \frac{1000}{12}\pi
V=112π[(h+10)3−1000]V = \frac{1}{12}\pi\bigl[(h+10)^3 - 1000\bigr] (Shown)

答案

Shown\text{Shown}

4((ii))

1. Find the depth of the water $h$ when the volume is $120\pi$.

112π[(h+10)3−1000]=120π\frac{1}{12}\pi\left[(h+10)^3 - 1000\right] = 120\pi
(h+10)3−1000=1440(h+10)^3 - 1000 = 1440
(h+10)3=2440(h+10)^3 = 2440
h+10=24403=23053h+10 = \sqrt[3]{2440} = 2\sqrt[3]{305}
h=23053−10≈3.4632h = 2\sqrt[3]{305} - 10 \approx 3.4632

2. Differentiate the given volume formula with respect to $h$.

V=112π[(h+10)3−1000]V = \frac{1}{12}\pi\left[(h+10)^3 - 1000\right]
dVdh=112π[3(h+10)2]=π4(h+10)2\frac{dV}{dh} = \frac{1}{12}\pi \left[3(h+10)^2\right] = \frac{\pi}{4}(h+10)^2
Substitute h+10=23053h+10 = 2\sqrt[3]{305}:
dVdh=π4(23053)2=π(305)2/3≈142.36\frac{dV}{dh} = \frac{\pi}{4}\left(2\sqrt[3]{305}\right)^2 = \pi(305)^{2/3} \approx 142.36

3. Relate the rates of change using the chain rule to find $\frac{dh}{dt}$.

Since water flows out, the volume is decreasing, meaning the rate of change of volume is negative: dVdt=−kh\frac{dV}{dt} = -k\sqrt{h}.
Using the chain rule, dVdt=dVdh×dhdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dh} \times \frac{dh}{dt}:
−k23053−10=π(305)2/3×dhdt-k\sqrt{2\sqrt[3]{305} - 10} = \pi(305)^{2/3} \times \frac{dh}{dt}
dhdt=−23053−10π(305)2/3k≈−0.0131k\frac{dh}{dt} = -\frac{\sqrt{2\sqrt[3]{305}-10}}{\pi(305)^{2/3}} k \approx -0.0131 k

答案

dhdt=−23053−10π(305)2/3k≈−0.0131k m/min\frac{dh}{dt} = -\frac{\sqrt{2\sqrt[3]{305}-10}}{\pi(305)^{2/3}} k \approx -0.0131 k \text{ m/min}

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