如图所示,一个 V 形水箱的尺寸为 L=4 mL = 4\text{ m},W=0.6 mW = 0.6\text{ m},H=0.7 mH = 0.7\text{ m}。水箱最初是空的。水以 0.0025 m3/s0.0025\text{ m}^3/\text{s} 的速率被泵入水箱。从水开始流入水箱的那一刻起,水箱中水的深度为 y my\text{ m},水面宽度为 x mx\text{ m}。

  1. (i)

    求当 y=0.4 my = 0.4\text{ m} 时水深的变化率,答案保留到小数点后 4 位。

  2. (ii)

    求从 y=0.4 my = 0.4\text{ m} 的瞬间开始,将水箱完全注满所需的时间(精确到秒)。

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完整解法

5(i)

1. Use similar triangles to express the surface width $x$ in terms of the depth $y$.

By similar triangles on the V-shaped cross-section:
xy=WH=0.60.7=67\frac{x}{y} = \frac{W}{H} = \frac{0.6}{0.7} = \frac{6}{7}
x=67yx = \frac{6}{7}y

2. Express the volume $V$ of the water in terms of $y$.

The volume of the water is the cross-sectional triangular area multiplied by the length LL:
V=12xyLV = \frac{1}{2} x y L
V=12(67y)(y)(4)V = \frac{1}{2} \left(\frac{6}{7}y\right) (y) (4)
V=127y2V = \frac{12}{7}y^2

3. Differentiate $V$ with respect to $y$.

dVdy=247y\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}y} = \frac{24}{7}y

4. Apply the chain rule to find the rate of change of depth $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}$ when $y = 0.4$.

Using the chain rule, dVdt=dVdy×dydt\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}y} \times \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}:
0.0025=(247y)dydt0.0025 = \left(\frac{24}{7}y\right) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}
Substitute y=0.4y = 0.4:
0.0025=(247(0.4))dydt0.0025 = \left(\frac{24}{7}(0.4)\right) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}
0.0025=9.67dydt0.0025 = \frac{9.6}{7} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}
dydt=0.0025×79.6=73840≈0.0018229…\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = \frac{0.0025 \times 7}{9.6} = \frac{7}{3840} \approx 0.0018229\dots
dydt=0.0018 m/s (to 4 d.p.)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 0.0018\text{ m/s (to 4 d.p.)}

答案

0.0018 m/s0.0018\text{ m/s}

5(ii)

1. Calculate the maximum volume of the tank.

The tank is a triangular prism. Its total volume VfullV_{\text{full}} is the area of the V-shaped cross-section multiplied by its length LL:
Vfull=12×W×H×L=12×0.6×0.7×4=0.84 m3V_{\text{full}} = \frac{1}{2} \times W \times H \times L = \frac{1}{2} \times 0.6 \times 0.7 \times 4 = 0.84 \text{ m}^3

2. Express the volume of water $V$ in terms of $y$, and calculate the volume when $y = 0.4$.

Using similar triangles on the cross-section, the surface width xx is proportional to the depth yy:
x0.6=y0.7  ⟹  x=67y\frac{x}{0.6} = \frac{y}{0.7} \implies x = \frac{6}{7}y
The volume of water at depth yy is:
V=12xyL=2(67y)y=127y2V = \frac{1}{2}xyL = 2\left(\frac{6}{7}y\right)y = \frac{12}{7}y^2
When y=0.4y = 0.4:
V0.4=127(0.4)2=1.927 m3V_{0.4} = \frac{12}{7}(0.4)^2 = \frac{1.92}{7} \text{ m}^3

3. Determine the remaining volume and the time taken to fill it.

Remaining volume to be filled:
Vrem=Vfull−V0.4=0.84−1.927=5.88−1.927=3.967 m3V_{\text{rem}} = V_{\text{full}} - V_{0.4} = 0.84 - \frac{1.92}{7} = \frac{5.88 - 1.92}{7} = \frac{3.96}{7} \text{ m}^3
Since water is pumped in at a constant rate of 0.0025 m3/s0.0025 \text{ m}^3/\text{s}, the time taken is:
Time=Vrem0.0025=3.96/70.0025≈226.29 s\text{Time} = \frac{V_{\text{rem}}}{0.0025} = \frac{3.96/7}{0.0025} \approx 226.29 \text{ s}
Rounding to the nearest second gives 226226 seconds.

答案

226 \text{ s}

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