放射性物质的质量 mm 毫克随着时间 tt 小时而减少。测得的 mm 和 tt 的值见下表。
t (小时)246810
m (毫克)48.241.535.730.726.5
已知 mm 和 tt 由方程 m=m0e−ktm = m_0 e^{-kt} 相关联,其中 m0m_0 和 kk 是常数。

  1. ((i))

    在下一页的网格上,绘制 ln⁡m\ln m 对 tt 的直线图象,ln⁡m\ln m 轴从 3.2 开始,使用 2 cm 代表 0.1 个单位的比例,而 tt 轴使用 1 cm 代表 1 个单位的比例。

  2. ((ii))

    利用你的图象估计 kk 和 m0m_0 的值。

  3. ((iii))

    利用你的图象估计该物质的质量减少 20% 所需的时间(小时)。

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完整解法

8((i))

1. Calculate the values of $\ln m$ for each given value of $m$, to 3 decimal places.

For t=2t = 2, ln⁡m=ln⁡48.2≈3.875\ln m = \ln 48.2 \approx 3.875
For t=4t = 4, ln⁡m=ln⁡41.5≈3.726\ln m = \ln 41.5 \approx 3.726
For t=6t = 6, ln⁡m=ln⁡35.7≈3.575\ln m = \ln 35.7 \approx 3.575
For t=8t = 8, ln⁡m=ln⁡30.7≈3.424\ln m = \ln 30.7 \approx 3.424
For t=10t = 10, ln⁡m=ln⁡26.5≈3.277\ln m = \ln 26.5 \approx 3.277

tt246810
ln⁡m\ln m3.8753.7263.5753.4243.277

2. Plot the points on the grid according to the given scales and draw the line of best fit.

Set up the horizontal axis (tt) with 1 cm representing 1 unit, from 0 to at least 10.
Set up the vertical axis (ln⁡m\ln m) with 2 cm representing 0.1 unit, starting from 3.2.
Plot the points (2,3.875)(2, 3.875), (4,3.726)(4, 3.726), (6,3.575)(6, 3.575), (8,3.424)(8, 3.424), and (10,3.277)(10, 3.277).
Draw a straight line of best fit passing through these points.

答案

A straight line graph plotted with tt on the horizontal axis and ln⁡m\ln m on the vertical axis, passing through the calculated points.

8((ii))

1. Express the given equation in linear form

m=m0e−ktm = m_0 e^{-kt}
Taking natural logarithms on both sides:
ln⁡m=ln⁡(m0e−kt)\ln m = \ln(m_0 e^{-kt})
ln⁡m=−kt+ln⁡m0\ln m = -kt + \ln m_0
This is in the form Y=mX+cY = mX + c, where Y=ln⁡mY = \ln m, X=tX = t, gradient =−k= -k, and YY-intercept =ln⁡m0= \ln m_0.

2. Calculate the gradient of the line to find $k$

Using the points (2,ln⁡48.2)(2, \ln 48.2) and (10,ln⁡26.5)(10, \ln 26.5) from the table:
Gradient=ln⁡26.5−ln⁡48.210−2\text{Gradient} = \frac{\ln 26.5 - \ln 48.2}{10 - 2}
−k=3.2771−3.87538-k = \frac{3.2771 - 3.8753}{8}
−k=−0.074775-k = -0.074775
k≈0.0748k \approx 0.0748 (to 3 s.f.)

3. Find the $Y$-intercept to calculate $m_0$

Using the point (2,3.8753)(2, 3.8753) and the gradient −0.074775-0.074775:
ln⁡m0=Y−mX\ln m_0 = Y - mX
ln⁡m0=3.8753−(−0.074775)(2)\ln m_0 = 3.8753 - (-0.074775)(2)
ln⁡m0=4.02485\ln m_0 = 4.02485
m0=e4.02485≈56.0m_0 = e^{4.02485} \approx 56.0 (to 3 s.f.)

答案

k≈0.0748k \approx 0.0748, m0≈56.0m_0 \approx 56.0

8((iii))

1. Determine the target mass after a 20% reduction

From part (ii), the initial mass m0m_0 is approximately 56.056.0 mg (where ln⁡m0≈4.025\ln m_0 \approx 4.025).
A reduction of 20%20\% means the new mass is 80%80\% of m0m_0.
m=0.8×56.0=44.8m = 0.8 \times 56.0 = 44.8 mg

2. Calculate the corresponding $\ln m$ value and read $t$ from the graph

ln⁡m=ln⁡(44.8)≈3.80\ln m = \ln(44.8) \approx 3.80
Using the straight line graph of ln⁡m\ln m against tt, locate 3.803.80 on the vertical axis and read the corresponding value on the horizontal axis.
t≈3.0t \approx 3.0 hours

答案

3.03.0 hours

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