水以每分钟 0.1 m3\text{m}^3 的速率注入一个敞口圆锥形容器中。圆锥的半顶角为 30∘30^\circ。在开始后 tt 分钟时,水面的半径为 rr m(见图)。求当水的体积为 3 m3\text{m}^3 时,水深增加的速率。 [底面半径为 rr 且高为 hh 的圆锥体积由 V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h 给出]

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完整解法

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1. Relate the surface radius $r$ and the depth of water $h$ using the semi-vertical angle.

tan⁡(30∘)=rh  ⟹  r=htan⁡(30∘)=h3\tan(30^\circ) = \frac{r}{h} \implies r = h \tan(30^\circ) = \frac{h}{\sqrt{3}}

2. Express the volume of the water $V$ entirely in terms of its depth $h$.

V=13πr2h=13π(h3)2h=13π(h23)h=19πh3V = \frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{h}{\sqrt{3}}\right)^2 h = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{h^2}{3}\right) h = \frac{1}{9}\pi h^3

3. Differentiate $V$ with respect to $h$.

dVdh=19π(3h2)=13πh2\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}h} = \frac{1}{9}\pi (3h^2) = \frac{1}{3}\pi h^2

4. Find the depth $h$ at the instant when the volume of water is $3\text{ m}^3$.

3=19πh3  ⟹  h3=27π  ⟹  h=3π1/33 = \frac{1}{9}\pi h^3 \implies h^3 = \frac{27}{\pi} \implies h = \frac{3}{\pi^{1/3}}

5. Apply the chain rule to find the rate of increase of the depth, $\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t}$.

dhdt=dVdtdVdh=0.113πh2\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = \frac{\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t}}{\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}h}} = \frac{0.1}{\frac{1}{3}\pi h^2}

Substituting h=3π1/3h = \frac{3}{\pi^{1/3}} (or h2=9π2/3h^2 = \frac{9}{\pi^{2/3}}):

dhdt=0.113π(9π2/3)=0.13π1/3=130π1/3≈0.0228 m/min\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = \frac{0.1}{\frac{1}{3}\pi \left(\frac{9}{\pi^{2/3}}\right)} = \frac{0.1}{3\pi^{1/3}} = \frac{1}{30\pi^{1/3}} \approx 0.0228\text{ m/min}

答案

0.0228 m/min0.0228\text{ m/min}

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