图中显示了一个横卧的圆柱体的横截面,圆心为 O,半径为 r。 圆柱体内的水深为 18 cm。 水面的宽度 AB 为 24 cm。

  1. (a)

    用代数方法证明 r = 13 cm。

    答案

  2. (b)

    证明角 AOB 为 134.76°,精确到 2 位小数。

    答案

  3. (c)

    由此计算阴影弓形的面积。

    答案 ... cm^2

  4. (d)

    圆柱体的长度为 40 cm。

    将圆柱体旋转,使其立在其中一个圆形底面上。

    在此位置,水深为 h cm。

    求 h 的值。

    答案 h = ...

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完整解法

10(a)

1. Express the half-chord and the perpendicular distance from the centre to the water surface in terms of $r$.

Let MM be the midpoint of ABAB.

Since the perpendicular from the centre of a circle to a chord bisects the chord,
AM=242=12 cm.AM=\frac{24}{2}=12\text{ cm}.

The distance from the water surface ABAB to the bottom point PP is 18 cm18\text{ cm}, and OP=rOP=r.

Hence
OM=18−r.OM=18-r.

2. Apply Pythagoras' theorem and solve the equation for $r$.

In right-angled triangle OMAOMA,
OA2=OM2+AM2.OA^2=OM^2+AM^2.

Since OA=rOA=r,
r2=(18−r)2+122.r^2=(18-r)^2+12^2.

r2=324−36r+r2+144r^2=324-36r+r^2+144
36r=46836r=468
r=13.r=13.

答案

r=13 cmr = 13\text{ cm}

10(b)

1. Form a right-angled triangle using half the chord and identify the half-angle.

Let MM be the midpoint of ABAB.

Since AB=24 cmAB=24\text{ cm},
AM=242=12 cm.AM=\frac{24}{2}=12\text{ cm}.

From part (a), OA=13 cmOA=13\text{ cm}.

In right-angled triangle OAMOAM,
sin⁡∠AOM=AMOA=1213.\sin \angle AOM=\frac{AM}{OA}=\frac{12}{13}.

2. Calculate the full angle $AOB$ and round to 2 decimal places.

∠AOM=sin⁡−1(1213)=67.3801…∘\angle AOM=\sin^{-1}\left(\frac{12}{13}\right)=67.3801\ldots^\circ

Since OMOM bisects ∠AOB\angle AOB,
∠AOB=2(67.3801…∘)=134.7602…∘.\angle AOB=2(67.3801\ldots^\circ)=134.7602\ldots^\circ.

Therefore,
∠AOB=134.76∘correct to 2 decimal places.\angle AOB=134.76^\circ \quad \text{correct to 2 decimal places}.

答案

∠AOB=134.76∘\angle AOB = 134.76^\circ correct to 2 decimal places

10(c)

1. Find the area of sector $AOB$ using the angle from part (b).

From earlier parts, r=13r=13 cm and ∠AOB=134.76∘\angle AOB=134.76^\circ.

Area of sector AOB=134.76360×π×132\text{Area of sector }AOB=\frac{134.76}{360}\times \pi \times 13^2

=198.74 cm2 approximately=198.74\text{ cm}^2\text{ approximately}

2. Find the area of triangle $AOB$.

The perpendicular distance from OO to chord ABAB is 55 cm, and AB=24AB=24 cm.

Area of △AOB=12×24×5\text{Area of }\triangle AOB=\frac12\times 24\times 5

=60 cm2=60\text{ cm}^2

3. Find the area of the small segment above the water surface.

Area of small segment=area of sector AOB−area of △AOB\text{Area of small segment}=\text{area of sector }AOB-\text{area of }\triangle AOB

=198.74−60=198.74-60

=138.74 cm2=138.74\text{ cm}^2

4. Find the shaded water segment by subtracting the small segment from the whole circle.

Area of circle=π×132=530.93 cm2\text{Area of circle}=\pi\times 13^2=530.93\text{ cm}^2

Area of shaded segment=530.93−138.74\text{Area of shaded segment}=530.93-138.74

=392.18 cm2=392.18\text{ cm}^2

≈392 cm2\approx 392\text{ cm}^2

答案

392 cm2392\text{ cm}^2

10(d)

1. Write an expression for the water volume when the cylinder is upright.

When upright, the water forms a cylinder of radius 1313 cm and height hh cm.

Volume of water=π(13)2h=169πh\text{Volume of water}=\pi(13)^2h=169\pi h

2. Equate the unchanged water volume to the volume from the horizontal position and solve for h.

From part (c), the cross-sectional area of the water is 392 cm2392\text{ cm}^2.

The original length of the cylinder is 4040 cm, so

Volume of water=392×40\text{Volume of water}=392\times 40

Equating volumes,

169πh=392×40169\pi h=392\times 40

h=392×40169π=29.5 cm(3 s.f.)h=\frac{392\times 40}{169\pi}=29.5\text{ cm}\quad\text{(3 s.f.)}

答案

h=12.1 cmh = 12.1\text{ cm}

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