一个封闭的圆锥形装饰物,其圆形底面半径为 10 cm,高为 25 cm,内部装有深度为 15 cm 的水银,如下图所示。若将该装饰物倒置,求水银的新深度 hh cm。

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完整解法

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1. Find the radius of the mercury surface before inversion using similar triangles.

In the cone, radius is proportional to distance from the vertex.

r15=1025\frac{r}{15}=\frac{10}{25}

r=15×1025=6 cmr=15\times \frac{10}{25}=6\text{ cm}

2. Find the original volume of mercury.

The mercury initially forms a smaller cone of radius 6 cm6\text{ cm} and height 15 cm15\text{ cm}.

Vmercury=13πr2hV_{\text{mercury}}=\frac{1}{3}\pi r^2h

Vmercury=13π(6)2(15)=180π cm3V_{\text{mercury}}=\frac{1}{3}\pi(6)^2(15)=180\pi\text{ cm}^3

3. Express the volume of mercury after inversion in terms of $h$.

After inversion, the mercury occupies the bottom part of the cone.

The empty part above the mercury is a smaller cone of height 25−h25-h.

Its radius is

25(25−h).\frac{2}{5}(25-h).

So the volume of mercury is

13π(10)2(25)−13π[25(25−h)]2(25−h).\frac{1}{3}\pi(10)^2(25)-\frac{1}{3}\pi\left[\frac{2}{5}(25-h)\right]^2(25-h).

4. Form and solve the equation using conservation of volume.

Since the volume of mercury is unchanged,

13π(10)2(25)−13π[25(25−h)]2(25−h)=180π\frac{1}{3}\pi(10)^2(25)-\frac{1}{3}\pi\left[\frac{2}{5}(25-h)\right]^2(25-h)=180\pi

25003π−475π(25−h)3=180π\frac{2500}{3}\pi-\frac{4}{75}\pi(25-h)^3=180\pi

Divide by π\pi:

25003−475(25−h)3=180\frac{2500}{3}-\frac{4}{75}(25-h)^3=180

475(25−h)3=19603\frac{4}{75}(25-h)^3=\frac{1960}{3}

(25−h)3=12250(25-h)^3=12250

25−h=122503=23.052…25-h=\sqrt[3]{12250}=23.052\ldots

h=25−23.052…=1.947…h=25-23.052\ldots=1.947\ldots

答案

h=1.95 cmh = 1.95\text{ cm}

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