某种放射性物质的质量为 mm 毫克(mg),随时间 tt 小时(hours)递减。 已知 mm 和 tt 满足方程 m=Me−ktm = M e^{-kt},其中 MM 和 kk 是常数。 下表显示了 mm 和 tt 的测量值。
t (小时)12345
m (毫克)6.555.364.403.602.94

  1. (a)

    绘制 ln⁡m\ln m 关于 tt 的图像并画出一条直线。

  2. (b)

    利用你的图像估算该物质的初始质量,

  3. (c)

    kk 的值。

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完整解法

13(a)

1. Calculate the values of $\ln m$ for each corresponding value of $t$, rounding to 2 decimal places for plotting.

For t=1t = 1, ln⁡6.55≈1.88\ln 6.55 \approx 1.88
For t=2t = 2, ln⁡5.36≈1.68\ln 5.36 \approx 1.68
For t=3t = 3, ln⁡4.40≈1.48\ln 4.40 \approx 1.48
For t=4t = 4, ln⁡3.60≈1.28\ln 3.60 \approx 1.28
For t=5t = 5, ln⁡2.94≈1.08\ln 2.94 \approx 1.08

tt12345
ln⁡m\ln m1.881.681.481.281.08

2. Plot the points on the graph paper and draw a straight line of best fit.

Plot the coordinates (1,1.88)(1, 1.88), (2,1.68)(2, 1.68), (3,1.48)(3, 1.48), (4,1.28)(4, 1.28), and (5,1.08)(5, 1.08) on the grid with tt on the horizontal axis and ln⁡m\ln m on the vertical axis. Draw a straight line passing through these points.

答案

A straight line graph plotted with points (1,1.88)(1, 1.88), (2,1.68)(2, 1.68), (3,1.48)(3, 1.48), (4,1.28)(4, 1.28), and (5,1.08)(5, 1.08).

13(b)

1. Identify the relationship between the initial mass and the graph's y-intercept

Taking the natural logarithm of both sides of m=Me−ktm = M e^{-kt} gives:
ln⁡m=ln⁡M−kt\ln m = \ln M - kt
This is in the linear form Y=c+mXY = c + mX, where Y=ln⁡mY = \ln m, X=tX = t, gradient =−k= -k, and the vertical intercept is ln⁡M\ln M.
The initial mass is MM.

2. Read the y-intercept from the graph and calculate the initial mass

From the plotted graph of ln⁡m\ln m against tt, the line intersects the vertical axis (t=0t = 0) at approximately 2.082.08.
ln⁡M=2.08\ln M = 2.08
M=e2.08≈8.00M = e^{2.08} \approx 8.00

答案

8.00 mg8.00\text{ mg}

13(c)

1. Relate the constant $k$ to the gradient of the straight line graph

From m=Me−ktm = M e^{-kt}, taking natural logarithms gives ln⁡m=ln⁡M−kt\ln m = \ln M - kt.
The graph of ln⁡m\ln m against tt is a straight line with gradient −k-k.

2. Calculate the gradient using points from the line of best fit

Using the points (1,ln⁡6.55)(1, \ln 6.55) and (5,ln⁡2.94)(5, \ln 2.94) from the line:
Gradient=ln⁡2.94−ln⁡6.555−1\text{Gradient} = \frac{\ln 2.94 - \ln 6.55}{5 - 1}
−k=1.0784−1.87954-k = \frac{1.0784 - 1.8795}{4}
−k=−0.200-k = -0.200
k=0.200k = 0.200 (to 3 s.f.)

答案

0.200.20

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