同济高数 第2章 第2-4-13题

[AI解答]

[AI解答]

我们首先分析漏斗和圆柱筒的几何关系，并利用体积守恒来求解。

**第一步：建立漏斗的几何参数** 漏斗是正圆锥形，深（高）$H=18\,\text{cm}$，顶直径 $D=12\,\text{cm}$，所以顶半径 $R=6\,\text{cm}$。 由相似三角形可知，在任意时刻，漏斗内液面高度为 $h$ 时，液面半径 $r$ 满足： $$ \frac{r}{h} = \frac{R}{H} = \frac{6}{18} = \frac{1}{3} $$ 因此 $$ r = \frac{h}{3}. $$

漏斗内液体体积为： $$ V_{\text{cone}} = \frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{h}{3}\right)^2 h = \frac{1}{3}\pi \cdot \frac{h^2}{9} \cdot h = \frac{\pi}{27} h^3. $$

**第二步：圆柱筒的几何参数** 圆柱筒直径 $10\,\text{cm}$，半径 $5\,\text{cm}$。设筒内液面高度为 $y$，则筒内液体体积为： $$ V_{\text{cyl}} = \pi (5)^2 y = 25\pi y. $$

**第三步：体积守恒关系** 漏斗中流出的液体全部进入圆柱筒，因此漏斗中减少的体积等于圆柱筒中增加的体积。设漏斗液面高度为 $h$，圆柱筒液面高度为 $y$，初始时漏斗满（$h=18$），筒空（$y=0$）。于是有： $$ V_{\text{cone初始}} - V_{\text{cone}}(h) = V_{\text{cyl}}(y) $$ 即 $$ \frac{\pi}{27}(18^3) - \frac{\pi}{27}h^3 = 25\pi y. $$

计算 $18^3 = 5832$，所以： $$ \frac{\pi}{27} \cdot 5832 - \frac{\pi}{27}h^3 = 25\pi y. $$ 两边同时除以 $\pi$： $$ \frac{5832}{27} - \frac{h^3}{27} = 25y. $$ 而 $\frac{5832}{27} = 216$，因此： $$ 216 - \frac{h^3}{27} = 25y. $$

**第四步：对时间求导** 两边对时间 $t$ 求导（注意 $h$ 和 $y$ 都是 $t$ 的函数）： $$ 0 - \frac{3h^2}{27} \cdot \frac{dh}{dt} = 25 \frac{dy}{dt}. $$ 化简： $$ -\frac{h^2}{9} \cdot \frac{dh}{dt} = 25 \frac{dy}{dt}. $$

**第五步：代入已知条件** 已知当 $h=12\,\text{cm}$ 时，表面下降速率 $\displaystyle \frac{dh}{dt} = -1\,\text{cm/min}$（下降所以为负）。代入： $$ -\frac{12^2}{9} \cdot (-1) = 25 \frac{dy}{dt}. $$ 左边计算： $$ -\frac{144}{9} \cdot (-1) = -16 \cdot (-1) = 16. $$ 因此： $$ 16 = 25 \frac{dy}{dt} \quad\Rightarrow\quad \frac{dy}{dt} = \frac{16}{25} = 0.64\,\text{cm/min}. $$

**最终答案**： $$ \boxed{0.64\ \mathrm{cm/min}} $$

难度评级：★★☆☆☆