如图所示,一个半顶角为 30∘30^\circ 的圆锥形容器中正在以一定的速度注水。在 tt 秒后,水的深度为 x cmx\text{ cm},水面的半径为 r cmr\text{ cm}。

  1. (a)

    证明水的体积 V=πx39 cm3V = \frac{\pi x^3}{9}\text{ cm}^3。

  2. (b)

    若已知水的体积 V=8tV = 8t,求 3 秒后水位上升的变化率。

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完整解法

6(a)

1. Express the radius $r$ in terms of the depth $x$ using trigonometry.

From the diagram, the vertical angle is 30∘30^\circ. The right-angled triangle formed by the radius rr, depth xx, and the slanted side has an angle of 30∘30^\circ at the vertex.
tan⁡30∘=rx\tan 30^\circ = \frac{r}{x}
r=xtan⁡30∘=x(13)=x3r = x \tan 30^\circ = x \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) = \frac{x}{\sqrt{3}}

2. Substitute $r$ into the formula for the volume of a cone.

The volume of a cone is V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h.
Here, h=xh = x.
V=13π(x3)2xV = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{x}{\sqrt{3}}\right)^2 x

3. Simplify the expression to show the required result.

V=13π(x23)xV = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{x^2}{3}\right) x
V=πx39V = \frac{\pi x^3}{9}

答案

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