自行车的圆柱形内胎长度固定为 200 cm200\text{ cm},半径为 r cmr\text{ cm}。随着给内胎打气,半径 rr 增大。向内胎中充气时,胎内空气体积以 30 cm3s−130\text{ cm}^3\text{s}^{-1} 的恒定速率增加。

  1. (a)

    求打气一分钟后内胎的半径。

  2. (b)

    求当 r=2 cmr = 2\text{ cm} 时,内胎半径增加的速率。

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完整解法

12(a)

1. Calculate the total volume of air pumped into the tube after one minute.

Time t=1 minute=60 st = 1\text{ minute} = 60\text{ s}.
Volume V=30×60=1800 cm3V = 30 \times 60 = 1800\text{ cm}^3.

2. Use the volume formula for a cylinder to find the radius.

The volume of the cylindrical tube is V=πr2hV = \pi r^2 h.
Given h=200 cmh = 200\text{ cm}, we have:
200πr2=1800200\pi r^2 = 1800
πr2=9\pi r^2 = 9
r2=9πr^2 = \frac{9}{\pi}
r=9π≈1.6925≈1.69 cmr = \sqrt{\frac{9}{\pi}} \approx 1.6925 \approx 1.69\text{ cm} (to 3 s.f.)

答案

1.69 cm1.69\text{ cm}

12(b)

1. Express the volume of the inner tube in terms of $r$

The inner tube is a cylinder with fixed length h=200 cmh = 200\text{ cm}.
V=πr2h=200πr2V = \pi r^2 h = 200\pi r^2

2. Differentiate $V$ with respect to $r$

dVdr=400πr\frac{\text{d}V}{\text{d}r} = 400\pi r

3. Use the chain rule to find $\frac{\text{d}r}{\text{d}t}$ when $r = 2$

We are given dVdt=30\frac{\text{d}V}{\text{d}t} = 30.
By the chain rule, dVdt=dVdr×drdt\frac{\text{d}V}{\text{d}t} = \frac{\text{d}V}{\text{d}r} \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
30=(400πr)×drdt30 = (400\pi r) \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
When r=2r = 2:
30=400π(2)×drdt30 = 400\pi(2) \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
30=800π×drdt30 = 800\pi \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
drdt=30800π=380π≈0.0119 cm s−1\frac{\text{d}r}{\text{d}t} = \frac{30}{800\pi} = \frac{3}{80\pi} \approx 0.0119\text{ cm s}^{-1}

答案

380π cm s−1\frac{3}{80\pi}\text{ cm s}^{-1} or 0.0119 cm s−10.0119\text{ cm s}^{-1}

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