一个金属正方体在被放入液体中之前被加热到 212∘C212^\circ\text{C} 的温度。
随着正方体冷却,它在进入液体后 tt 分钟的温度 T∘CT^\circ\text{C} 由 T=P+180e−ktT = P + 180e^{-kt} 给出,其中 PP 和 kk 是常数。
据记录,当 t=5t = 5 时,T=185T = 185。

  1. (a)

    求 PP 和 kk 的值。

  2. (b)

    通过绘制 TT 关于 tt 的函数图象,解释为什么 TT 不能为 30。

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完整解法

5(a)

1. Use the initial condition to find $P$.

When t=0t = 0, T=212T = 212.
212=P+180e−k(0)212 = P + 180e^{-k(0)}
212=P+180(1)212 = P + 180(1)
P=212−180=32P = 212 - 180 = 32

2. Use the second condition to form an equation for $k$.

When t=5t = 5, T=185T = 185.
185=32+180e−5k185 = 32 + 180e^{-5k}
153=180e−5k153 = 180e^{-5k}
e−5k=153180=0.85e^{-5k} = \frac{153}{180} = 0.85

3. Solve for $k$ using logarithms.

−5k=ln⁡(0.85)-5k = \ln(0.85)
k=−15ln⁡(0.85)k = -\frac{1}{5} \ln(0.85)
k≈0.0325037k \approx 0.0325037
k=0.0325 (to 3 s.f.)k = 0.0325 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

P=32P = 32, k=0.0325k = 0.0325

5(b)

1. Sketch the graph of $T$ against $t$ using the values from part (a)

From part (a), P=32P = 32 and k>0k > 0. The equation is T=32+180e−ktT = 32 + 180e^{-kt}.
When t=0t = 0, T=32+180=212T = 32 + 180 = 212.
As t→∞t \to \infty, e−kt→0e^{-kt} \to 0, so T→32T \to 32.
The graph is an exponential decay curve starting at (0,212)(0, 212) and approaching the horizontal asymptote T=32T = 32.

2. Explain why $T$ cannot be 30 based on the graph

From the sketch, the horizontal asymptote is T=32T = 32 and the curve lies entirely above this line for all t≥0t \ge 0.
Therefore, T>32T > 32 for all t≥0t \ge 0, which means TT can never reach 30.

答案

The graph has a horizontal asymptote at T=32T = 32. Since T>32T > 32 for all t≥0t \ge 0, TT cannot be 30.

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