一杯热巧克力牛奶冷却至室温时的温度 θ∘C\theta^\circ C 可以用公式 θ=27+qb−t\theta = 27 + q b^{-t} 来建模,其中 qq 和 bb 为常数,tt 是冷却时间(单位:分钟)。tt 和 θ\theta 的测量值如下表所示。

  1. (a)

    解释如何绘制一条直线图来表示该公式,并针对给定的数据绘制该图。

  2. (b)

    估计 qq 和 bb 的值。

  3. (c)

    利用你的图表,估计在 t=7t = 7 时这杯茶的温度。

  4. (d)

    室温是多少?解释你是如何得到你的答案的。

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完整解法

8(a)

1. Rearrange the given equation to isolate the exponential term and take logarithms on both sides.

θ=27+qb−t\theta = 27 + q b^{-t}
θ−27=qb−t\theta - 27 = q b^{-t}
lg⁡(θ−27)=lg⁡(qb−t)\lg(\theta - 27) = \lg(q b^{-t})
lg⁡(θ−27)=lg⁡q−tlg⁡b\lg(\theta - 27) = \lg q - t \lg b

2. Explain how this represents a straight line graph.

The equation lg⁡(θ−27)=(−lg⁡b)t+lg⁡q\lg(\theta - 27) = (-\lg b)t + \lg q is in the linear form Y=mX+cY = mX + c.
By plotting Y=lg⁡(θ−27)Y = \lg(\theta - 27) against X=tX = t, a straight line graph can be drawn with gradient m=−lg⁡bm = -\lg b and YY-intercept c=lg⁡qc = \lg q.

3. Calculate the values of $\lg(\theta - 27)$ for the given data points.

tt24681012
θ−27\theta - 2744322116118
lg⁡(θ−27)\lg(\theta - 27)1.641.511.321.201.040.90

4. Draw the straight line graph.

Plot the points (t,lg⁡(θ−27))(t, \lg(\theta - 27)) on a grid and draw the line of best fit passing through them.

答案

Plot lg⁡(θ−27)\lg(\theta - 27) against tt. (Graph drawn on graph paper)

8(b)

1. Relate the constants $q$ and $b$ to the features of the linear graph

From part (a), the linear form is lg⁡(θ−27)=−tlg⁡b+lg⁡q\lg(\theta - 27) = -t \lg b + \lg q.
The YY-intercept is lg⁡q\lg q and the gradient is −lg⁡b-\lg b.

2. Estimate $q$ from the $Y$-intercept

From the graph, the YY-intercept is approximately 1.781.78.
lg⁡q=1.78\lg q = 1.78
q=101.78≈60.3≈60q = 10^{1.78} \approx 60.3 \approx 60

3. Estimate $b$ from the gradient

Using points (2,1.64)(2, 1.64) and (10,1.04)(10, 1.04) from the line of best fit:
Gradient m=1.04−1.6410−2=−0.608=−0.075m = \frac{1.04 - 1.64}{10 - 2} = \frac{-0.60}{8} = -0.075
−lg⁡b=−0.075-\lg b = -0.075
lg⁡b=0.075\lg b = 0.075
b=100.075≈1.188≈1.2b = 10^{0.075} \approx 1.188 \approx 1.2

答案

q≈60q \approx 60, b≈1.2b \approx 1.2

8(c)

1. Read the value of the vertical axis variable from the graph at $t = 7$

From the graph of lg⁡(θ−27)\lg(\theta - 27) against tt, when t=7t = 7,
lg⁡(θ−27)≈1.26\lg(\theta - 27) \approx 1.26

2. Solve for the original variable $\theta$

θ−27=101.26\theta - 27 = 10^{1.26}
θ−27≈18.2\theta - 27 \approx 18.2
θ≈45.2\theta \approx 45.2

答案

45.2∘C45.2^\circ\text{C}

8(d)

1. Identify the behaviour of the cooling term as time becomes very large

As t→∞t \to \infty, the term b−t→0b^{-t} \to 0 (since b>1b > 1 for cooling).

2. Determine the room temperature from the limit

Therefore, θ→27+q(0)=27\theta \to 27 + q(0) = 27. The room temperature is 27∘C27^\circ\text{C}.

答案

Room temperature is 27∘C27^\circ\text{C}. As t→∞t \to \infty, b−t→0b^{-t} \to 0, so θ→27\theta \to 27.

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