实验室中合成的一种化合物,其生长方程由下式给出 w=60010+30e−0.5tw = \frac{600}{10 + 30e^{-0.5t}} 其中 ww 是以克为单位的质量,tt 是该化合物首次合成后以小时为单位的时间。 求

  1. (ai)

    该化合物的初始质量,

  2. (aii)

    该化合物在 5 小时 15 分钟后的质量,

  3. (aiii)

    质量为 30g 时的时刻。

  4. (b)

    解释该质量是会持续无限增长,还是会稳定在某一最终质量。

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完整解法

5(ai)

1. Substitute $t = 0$ into the equation for $w$

When t=0t = 0,
w=60010+30e−0.5(0)w = \frac{600}{10 + 30e^{-0.5(0)}}

2. Evaluate the expression to find the initial mass

w=60010+30(1)w = \frac{600}{10 + 30(1)}
w=60040w = \frac{600}{40}
w=15w = 15

答案

15 g15\text{ g}

5(aii)

1. Convert the given time into hours

t=5+1560=5.25 hourst = 5 + \frac{15}{60} = 5.25\text{ hours}

2. Substitute the time into the growth equation to find the mass

w=60010+30e−0.5(5.25)w = \frac{600}{10 + 30e^{-0.5(5.25)}}
w=60010+30e−2.625w = \frac{600}{10 + 30e^{-2.625}}
w≈49.2886w \approx 49.2886
w≈49.3 gw \approx 49.3\text{ g} (to 3 s.f.)

答案

49.3 g49.3\text{ g}

5(aiii)

1. Substitute the given mass into the equation

30=60010+30e−0.5t30 = \frac{600}{10 + 30e^{-0.5t}}

2. Rearrange the equation to isolate the exponential term

10+30e−0.5t=6003010 + 30e^{-0.5t} = \frac{600}{30}
10+30e−0.5t=2010 + 30e^{-0.5t} = 20
30e−0.5t=1030e^{-0.5t} = 10
e−0.5t=13e^{-0.5t} = \frac{1}{3}

3. Solve for $t$ using natural logarithms

−0.5t=ln⁡(13)-0.5t = \ln\left(\frac{1}{3}\right)
−0.5t=−1.0986-0.5t = -1.0986
t=2.1972t = 2.1972
t≈2.20 hours (to 3 s.f.)t \approx 2.20 \text{ hours (to 3 s.f.)}

答案

2.202.20 hours

5(b)

1. Determine the behaviour of the exponential term as time increases indefinitely

As t→∞t \to \infty, e−0.5t→0e^{-0.5t} \to 0.

2. Calculate the limiting mass and conclude

Therefore, w→60010+30(0)=60010=60w \to \frac{600}{10 + 30(0)} = \frac{600}{10} = 60.
The mass will stabilise to a final mass of 60g.

答案

The mass will stabilise to a final mass of 60g.

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