空气正以每秒 12 cm3^3 的恒定速率被注入一个球形气球中。
求当气球半径为 4 cm 时,气球半径增加的速率。
[半径为 rr 的球体体积为 43πr3\frac{4}{3}\pi r^3] 当气球半径膨胀超过 5 cm 时,人们发现,在注入空气的同时,部分空气也开始从气球中泄漏。 已知当半径为 7 cm 时,气球半径正以每秒 0.015 cm 的速率增加,求空气从气球中泄漏的速率。

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完整解法

5(a)

1. Differentiate the volume of the sphere with respect to its radius

Given V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3,
dVdr=4πr2\frac{dV}{dr} = 4\pi r^2

2. Set up the chain rule for connected rates of change

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

3. Substitute the given values to find the rate of change of the radius

We are given dVdt=12\frac{dV}{dt} = 12 and r=4r = 4.
12=4π(4)2×drdt12 = 4\pi (4)^2 \times \frac{dr}{dt}
12=64π×drdt12 = 64\pi \times \frac{dr}{dt}
drdt=1264π=316π≈0.0597 cm/s\frac{dr}{dt} = \frac{12}{64\pi} = \frac{3}{16\pi} \approx 0.0597 \text{ cm/s}

答案

316π\frac{3}{16\pi} cm/s (or 0.05970.0597 cm/s)

5(b)

1. Find the derivative of the volume with respect to the radius

V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3
dVdr=4πr2\frac{dV}{dr} = 4\pi r^2

2. Calculate the net rate of change of volume when $r = 7$

Using the chain rule: dVdt=dVdr×drdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dr} \times \frac{dr}{dt}
When r=7r = 7, dVdr=4π(7)2=196π\frac{dV}{dr} = 4\pi (7)^2 = 196\pi
Given drdt=0.015\frac{dr}{dt} = 0.015
Net dVdt=196π×0.015=2.94π cm3/s\frac{dV}{dt} = 196\pi \times 0.015 = 2.94\pi \text{ cm}^3/\text{s}

3. Determine the rate at which air is leaking out

Net rate of volume change = Rate pumped in - Rate leaking out
2.94π=12−Rate leaking out2.94\pi = 12 - \text{Rate leaking out}
Rate leaking out=12−2.94π≈2.7637 cm3/s\text{Rate leaking out} = 12 - 2.94\pi \approx 2.7637 \text{ cm}^3/\text{s}

答案

12−2.94π≈2.76 cm3/s12 - 2.94\pi \approx 2.76 \text{ cm}^3/\text{s}

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