几何体 A 是由一个半径为 rr 的半球连接到高度为 rr 的圆柱的一端,圆柱的另一端连接一个高度为 hh cm 的圆锥而组成的几何体。

  1. (a)

    用 π\pi 和 rr 表示半球和圆柱的总体积。

    答案 (a) ... cm^3

  2. (b)

    圆锥的体积是整个几何体 A 体积的一半。证明 h=5rh = 5r。

    答案

  3. (c)

    已知半球的体积为 54π cm354\pi\ \text{cm}^3,求几何体 A 的体积。

    答案 (c) ... cm^3

  4. (d)

    然后将整个几何体 A 熔化并重铸为一个棱柱,即几何体 B。
    其横截面为一个梯形,平行边长分别为 6 cm 和 10 cm。

    求几何体 B 横截面的高 yy。

    答案 (d) ... cm

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完整解法

3(a)

1. Find and add the volumes of the hemisphere and cylinder.

Volume of hemisphere:

12(43πr3)=23πr3\frac{1}{2}\left(\frac{4}{3}\pi r^3\right)=\frac{2}{3}\pi r^3

Volume of cylinder:

πr2(r)=πr3\pi r^2(r)=\pi r^3

Total volume:

23πr3+πr3=53πr3\frac{2}{3}\pi r^3+\pi r^3=\frac{5}{3}\pi r^3

答案

53πr3 cm3\dfrac{5}{3}\pi r^3\text{ cm}^3

3(b)

1. Write expressions for the cone volume and the total volume of Solid A.

From part (a), the volume of the hemisphere and cylinder is
53πr3.\frac{5}{3}\pi r^3.
The volume of the cone is
13πr2h.\frac{1}{3}\pi r^2h.
Hence the volume of Solid A is
53πr3+13πr2h.\frac{5}{3}\pi r^3+\frac{1}{3}\pi r^2h.

2. Form and solve the equation using the given volume relationship.

Since the volume of the cone is half of the volume of the entire Solid A,
13πr2h=12(53πr3+13πr2h).\frac{1}{3}\pi r^2h=\frac{1}{2}\left(\frac{5}{3}\pi r^3+\frac{1}{3}\pi r^2h\right).
Multiply by 2:
23πr2h=53πr3+13πr2h.\frac{2}{3}\pi r^2h=\frac{5}{3}\pi r^3+\frac{1}{3}\pi r^2h.
Subtract 13πr2h\frac{1}{3}\pi r^2h from both sides:
13πr2h=53πr3.\frac{1}{3}\pi r^2h=\frac{5}{3}\pi r^3.
Divide by 13πr2\frac{1}{3}\pi r^2:
h=5r.h=5r.

答案

Hence, h=5rh=5r.

3(c)

1. Use the given hemisphere volume to find $r^3$.

Volume of hemisphere =23πr3= \dfrac{2}{3}\pi r^3

23πr3=54π\dfrac{2}{3}\pi r^3=54\pi

r3=54×32=81r^3=54\times \dfrac{3}{2}=81

2. Write the total volume of Solid A using the result $h=5r$ from part (b).

From part (a), volume of hemisphere and cylinder

=53πr3=\dfrac{5}{3}\pi r^3

From part (b), h=5rh=5r.

Volume of cone

=13πr2h=\dfrac{1}{3}\pi r^2h

=13πr2(5r)=\dfrac{1}{3}\pi r^2(5r)

=53πr3=\dfrac{5}{3}\pi r^3

Total volume of Solid A

=53πr3+53πr3=\dfrac{5}{3}\pi r^3+\dfrac{5}{3}\pi r^3

=103πr3=\dfrac{10}{3}\pi r^3

3. Substitute $r^3=81$ to find the volume of Solid A.

Volume of Solid A=103π(81)\text{Volume of Solid A}=\dfrac{10}{3}\pi(81)

=270π=270\pi

答案

270π cm3270\pi\text{ cm}^3

3(d)

1. Find the area of the trapezium cross-section in terms of $y$.

Area of trapezium
=12(6+10)y= \frac{1}{2}(6+10)y
=8y cm2=8y\text{ cm}^2

2. Write the volume of Solid B in terms of $y$.

Volume of prism
=cross-sectional area×length= \text{cross-sectional area} \times \text{length}
=8y×20=8y \times 20
=160y cm3=160y\text{ cm}^3

3. Equate the volume of Solid B to the volume of Solid A and solve for $y$.

Since Solid A is melted down to form Solid B, their volumes are equal.

From part (c), volume of Solid A =270π cm3=270\pi\text{ cm}^3.

160y=270π160y=270\pi
y=270π160y=\frac{270\pi}{160}
y=27π16y=\frac{27\pi}{16}
y=5.30 cm(3 s.f.)y=5.30\text{ cm}\quad \text{(3 s.f.)}

答案

27π16 cm\dfrac{27\pi}{16}\text{ cm} or 5.30 cm5.30\text{ cm}

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