[高为 hh 且底面半径为 rr 的圆锥体积为 13πr2h\frac{1}{3}\pi r^2 h。] 一个底面半径为 5 cm、高为 20 cm 的空心直圆锥在底部有一个小孔。起初,圆锥内装满了水。由于底部漏水,水以 2 cm3/s\text{cm}^3/\text{s} 的恒定速率流出。

  1. (i)

    证明当水的高度为 x cmx\text{ cm} 时,圆锥内水的体积 V cm3V\text{ cm}^3 由 V=500π3−π48(20−x)3V = \frac{500\pi}{3} - \frac{\pi}{48}(20 - x)^3 给出。

  2. (ii)

    求当 x=8 cmx = 8\text{ cm} 时,圆锥内水的高度的变化率。

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完整解法

5(i)

1. Identify the geometry of the water volume

The volume of water VV is the volume of the entire cone minus the volume of the empty cone at the top.
Let the height of the empty cone at the top be htop=20−xh_{top} = 20 - x.

2. Use similar triangles to find the radius of the empty top cone

Let the radius of the empty top cone be rtopr_{top}.
By similar triangles,
rtop5=20−x20\frac{r_{top}}{5} = \frac{20 - x}{20}
rtop=5(20−x)20=20−x4r_{top} = \frac{5(20 - x)}{20} = \frac{20 - x}{4}

3. Calculate the volume of the water

Volume of entire cone = 13π(5)2(20)=500π3\frac{1}{3}\pi (5)^2 (20) = \frac{500\pi}{3}
Volume of empty top cone = 13π(rtop)2(htop)=13π(20−x4)2(20−x)\frac{1}{3}\pi (r_{top})^2 (h_{top}) = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{20 - x}{4}\right)^2 (20 - x)
=13π(20−x)216(20−x)=π48(20−x)3= \frac{1}{3}\pi \frac{(20 - x)^2}{16} (20 - x) = \frac{\pi}{48}(20 - x)^3
Therefore, V=500π3−π48(20−x)3V = \frac{500\pi}{3} - \frac{\pi}{48}(20 - x)^3 (Shown)

答案

V=500π3−π48(20−x)3V = \frac{500\pi}{3} - \frac{\pi}{48}(20 - x)^3 (Shown)

5(ii)

1. Differentiate the volume equation with respect to $x$ to find $\frac{dV}{dx}$.

Given V=500π3−π48(20−x)3V = \frac{500\pi}{3} - \frac{\pi}{48}(20 - x)^3.
dVdx=−π48⋅3(20−x)2⋅(−1)\frac{dV}{dx} = -\frac{\pi}{48} \cdot 3(20 - x)^2 \cdot (-1)
dVdx=π16(20−x)2\frac{dV}{dx} = \frac{\pi}{16}(20 - x)^2

2. Set up the connected rates of change equation.

We are given dVdt=−2\frac{dV}{dt} = -2 (since water flows out).
By the chain rule:
dVdt=dVdx×dxdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dx} \times \frac{dx}{dt}

3. Substitute $x = 8$ and $\frac{dV}{dt} = -2$ to find $\frac{dx}{dt}$.

When x=8x = 8:
dVdx=π16(20−8)2=π16(144)=9π\frac{dV}{dx} = \frac{\pi}{16}(20 - 8)^2 = \frac{\pi}{16}(144) = 9\pi
Substitute into the chain rule equation:
−2=9π×dxdt-2 = 9\pi \times \frac{dx}{dt}
dxdt=−29π\frac{dx}{dt} = -\frac{2}{9\pi}

答案

−13π cm/s-\frac{1}{3\pi}\text{ cm/s} or −0.106 cm/s-0.106\text{ cm/s}

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