一个形状为倒立正四棱锥的容器,其底面为边长 12 cm 的正方形,高为 30 cm。水正以 5 cm3^3/s 的恒定速率从容器中渗漏。

  1. (i)

    证明容器中水的体积 VV cm3^3 由 V=4h375V = \frac{4h^3}{75} 给出,其中 hh 是水的深度。

  2. (ii)

    求当水深为 6 cm 时,水深的变化率。

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完整解法

8(i)

1. Find the side length of the square water surface in terms of $h$ using similar triangles.

Let the side length of the square water surface be xx cm.
By similar triangles,
x12=h30\frac{x}{12} = \frac{h}{30}
x=12h30=2h5x = \frac{12h}{30} = \frac{2h}{5}

2. Express the volume of the water in terms of $h$ and simplify.

The volume of the water, VV, is given by the volume of a pyramid:
V=13×base area×heightV = \frac{1}{3} \times \text{base area} \times \text{height}
V=13x2hV = \frac{1}{3} x^2 h
Substitute x=2h5x = \frac{2h}{5}:
V=13(2h5)2hV = \frac{1}{3} \left(\frac{2h}{5}\right)^2 h
V=13(4h225)hV = \frac{1}{3} \left(\frac{4h^2}{25}\right) h
V=4h375 (Shown)V = \frac{4h^3}{75} \text{ (Shown)}

答案

V=4h375V = \frac{4h^3}{75} (Shown)

8(ii)

1. Identify the given rate of change and the required rate of change.

Given dVdt=−5\frac{dV}{dt} = -5 cm3^3/s (since water is leaking).
We need to find dhdt\frac{dh}{dt} when h=6h = 6.

2. Differentiate the volume formula with respect to $h$.

From (i), V=4h375V = \frac{4h^3}{75}.
dVdh=ddh(4h375)=12h275=4h225\frac{dV}{dh} = \frac{d}{dh}\left(\frac{4h^3}{75}\right) = \frac{12h^2}{75} = \frac{4h^2}{25}

3. Apply the chain rule to find $\frac{dh}{dt}$ when $h = 6$.

By the chain rule, dVdt=dVdh×dhdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dh} \times \frac{dh}{dt}.
−5=4(6)225×dhdt-5 = \frac{4(6)^2}{25} \times \frac{dh}{dt}
−5=14425×dhdt-5 = \frac{144}{25} \times \frac{dh}{dt}
dhdt=−5×25144=−125144\frac{dh}{dt} = -5 \times \frac{25}{144} = -\frac{125}{144} cm/s

答案

−2596-\frac{25}{96} cm/s

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