油以每秒 16 cm3 的速率滴入一个空的倒立圆锥(直圆锥)中。 圆锥的高度为 h cm,是其半径 r cm 的四分之三。 [直圆锥的体积 = 13×π×r2×h\tfrac{1}{3} \times \pi \times r^2 \times h]

  1. (a)

    证明圆锥的体积 VV cm3 为 V=14πr3V = \tfrac{1}{4}\pi r^3。

  2. (b)

    计算当半径为 8 cm 的瞬间,半径的变化率。

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完整解法

1(a)

1. Express the height in terms of the radius

Given that the height is three-quarters of the radius, we have:
h=34rh = \frac{3}{4}r

2. Substitute the expression for height into the volume formula and simplify

V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h
V=13πr2(34r)V = \frac{1}{3}\pi r^2 \left(\frac{3}{4}r\right)
V=14πr3V = \frac{1}{4}\pi r^3 (shown)

答案

Shown

1(b)

1. Identify the given rate of change and the required rate of change.

Given: dVdt=16\frac{dV}{dt} = 16 cm3^3/s.
Required: drdt\frac{dr}{dt} when r=8r = 8 cm.

2. Differentiate the volume formula with respect to $r$.

From part (a), V=14πr3V = \frac{1}{4}\pi r^3.
dVdr=34πr2\frac{dV}{dr} = \frac{3}{4}\pi r^2

3. Set up the chain rule equation connecting the rates.

By the chain rule:
dVdt=dVdr×drdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dr} \times \frac{dr}{dt}

4. Substitute the known values to find the rate of change of the radius.

Substitute dVdt=16\frac{dV}{dt} = 16 and r=8r = 8:
16=(34π(8)2)×drdt16 = \left( \frac{3}{4}\pi (8)^2 \right) \times \frac{dr}{dt}
16=(34π(64))×drdt16 = \left( \frac{3}{4}\pi (64) \right) \times \frac{dr}{dt}
16=48π×drdt16 = 48\pi \times \frac{dr}{dt}
drdt=1648π=13π\frac{dr}{dt} = \frac{16}{48\pi} = \frac{1}{3\pi} cm/s

答案

14π\frac{1}{4\pi} cm/s

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