图 1 显示了一个等腰梯形棱柱 ABCDEFGH 形状的无盖容器,其正方形底面 ABCD 的边长为 xx cm,其中 xx 是常数。侧面 ABFE 和 DCGH 垂直于底面 ABCD。然后将该容器沿 BC 倾斜,使得侧面 BCGF 和底面 ABCD 分别与水平面成 30° 角,如图 2 所示。接着向这个空容器中以 x3x^3 cm^3/min 的恒定速率注水。在本题中,假设容器的厚度忽略不计。

  1. (a)

    求一个用 xx 表示的、在容器中的水溢出前一刻的水位高度的表达式。

    答案 ... cm

  2. (b)

    求首次将该容器注水至第 (a) 部分所求高度所需的时间,答案精确到最接近的秒。

    答案 ... 秒

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完整解法

20(a)

1. Find the vertical height to the overflow level

Since the relevant edge of length xx makes an angle of 30∘30^\circ with the horizontal,
height=xsin⁡30∘=x2.\text{height}=x\sin 30^\circ=\frac{x}{2}.

答案

x2\dfrac{x}{2} cm

20(b)

1. Find the area of the triangular cross-section of water

From part (a), the vertical height of the water is x2\dfrac{x}{2} cm.

In the tilted cross-section, each sloping side makes 30∘30^\circ with the horizontal. Since
xsin⁡30∘=x2,x\sin 30^\circ=\frac{x}{2},
the water surface reaches the two upper edges just before overflow.

The horizontal width of the water surface is
2xcos⁡30∘=2x(32)=3x.2x\cos 30^\circ=2x\left(\frac{\sqrt3}{2}\right)=\sqrt3x.

So the cross-sectional area of water is
12(3x)(x2)=34x2.\frac12(\sqrt3x)\left(\frac{x}{2}\right)=\frac{\sqrt3}{4}x^2.

2. Find the volume of water filled up to this height

The prism has length BC=xBC=x cm.

Volume=cross-sectional area×length\text{Volume}=\text{cross-sectional area}\times \text{length}
=34x2×x=34x3 cm3.=\frac{\sqrt3}{4}x^2\times x=\frac{\sqrt3}{4}x^3\text{ cm}^3.

3. Divide volume by filling rate and convert to seconds

Water is filled at a rate of x3 cm3/minx^3\text{ cm}^3/\text{min}.

Time=34x3x3=34 min.\text{Time}=\frac{\frac{\sqrt3}{4}x^3}{x^3}=\frac{\sqrt3}{4}\text{ min}.

Converting to seconds,
34×60=25.980… s.\frac{\sqrt3}{4}\times 60=25.980\ldots\text{ s}.

To the nearest second, the time is
26 s.26\text{ s}.

答案

2626 seconds

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