同济高数 第7章 第7-2-3题

教材习题

📝 题目

3．有一盛满了水的圆锥形漏斗，高为 10 cm ，顶角为 $60^{\circ}$ ，漏斗下面有面积为 $0.5 \mathrm{~cm}^{2}$ 的孔，求水面高度变化的规律及水流完所需的时间．

💡 答案解析

[AI解答]

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**第一步：建立物理模型与变量** 设圆锥形漏斗顶点朝下，高 $H = 10\,\text{cm}$，顶角 $60^\circ$，则半顶角为 $30^\circ$。 设任意时刻水面高度为 $h$（从顶点算起），此时水面半径为 $r$，由几何关系： $$ \tan 30^\circ = \frac{r}{h} \quad\Rightarrow\quad r = h \tan 30^\circ = \frac{h}{\sqrt{3}}. $$ 水面面积为： $$ A(h) = \pi r^2 = \pi \left(\frac{h}{\sqrt{3}}\right)^2 = \frac{\pi h^2}{3}. $$

**第二步：应用托里拆利定律** 孔面积为 $a = 0.5\,\text{cm}^2$，重力加速度取 $g = 980\,\text{cm/s}^2$，流速为： $$ v = \sqrt{2gh}. $$ 流出体积流量为： $$ \frac{dV}{dt} = - a v = -0.5 \sqrt{2gh}. $$

**第三步：用水面高度表示体积变化率** 圆锥内水的体积： $$ V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi \left(\frac{h^2}{3}\right) h = \frac{\pi}{9} h^3. $$ 对时间求导： $$ \frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3} h^2 \frac{dh}{dt}. $$

**第四步：建立微分方程** 由流量相等： $$ \frac{\pi}{3} h^2 \frac{dh}{dt} = -0.5 \sqrt{2g h}. $$ 整理得： $$ \frac{dh}{dt} = -\frac{0.5 \sqrt{2g}}{\pi/3} h^{-3/2} = -\frac{1.5 \sqrt{2g}}{\pi} h^{-3/2}. $$ 代入 $g=980$，$\sqrt{2g} = \sqrt{1960} = 14\sqrt{10}$，所以： $$ \frac{dh}{dt} = -\frac{1.5 \times 14\sqrt{10}}{\pi} h^{-3/2} = -\frac{21\sqrt{10}}{\pi} h^{-3/2}. $$

**第五步：求解微分方程** 分离变量： $$ h^{3/2} dh = -\frac{21\sqrt{10}}{\pi} dt. $$ 积分： $$ \int h^{3/2} dh = \frac{2}{5} h^{5/2} = -\frac{21\sqrt{10}}{\pi} t + C. $$ 初始条件：$t=0$ 时 $h=10$，得： $$ \frac{2}{5} (10)^{5/2} = C \quad\Rightarrow\quad C = \frac{2}{5} \times 10^{5/2} = \frac{2}{5} \times (10^{2} \times 10^{1/2}) = \frac{2}{5} \times 100\sqrt{10} = 40\sqrt{10}. $$ 因此水面高度变化规律为： $$ \frac{2}{5} h^{5/2} = -\frac{21\sqrt{10}}{\pi} t + 40\sqrt{10}. $$ 整理成显式： $$ h^{5/2} = 100\sqrt{10} - \frac{105\sqrt{10}}{2\pi} t, $$ 即： $$ h(t) = \left(100\sqrt{10} - \frac{105\sqrt{10}}{2\pi} t\right)^{2/5}. $$

**第六步：求水流完所需时间** 当 $h=0$ 时： $$ 100\sqrt{10} - \frac{105\sqrt{10}}{2\pi} T = 0 \quad\Rightarrow\quad T = \frac{100\sqrt{10} \cdot 2\pi}{105\sqrt{10}} = \frac{200\pi}{105} = \frac{40\pi}{21}\,\text{s}. $$ 数值近似： $$ T \approx \frac{40 \times 3.1416}{21} \approx 5.98\,\text{s}. $$

**最终答案** 水面高度变化规律： $$ \boxed{h(t) = \left(100\sqrt{10} - \frac{105\sqrt{10}}{2\pi} t\right)^{\frac{2}{5}}} $$ 水流完所需时间： $$ \boxed{T = \frac{40\pi}{21}\,\text{s} \approx 5.98\,\text{s}} $$

**难度评级**：★★★☆☆ （涉及几何关系、托里拆利定律、微分方程建立与求解，计算量中等，但步骤清晰，无复杂技巧。）

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标：建立物理模型与变量
设圆锥形漏斗顶点朝下，高 H=10cm，顶角 60°，半顶角 30°。设任意时刻水面高度为 h（从顶点算起），水面半径为 r，由几何关系得 r = h tan30° = h/√3。水面面积 A(h) = πr² = πh²/3。
公式：r = h/√3, A(h) = πh²/3
提示：注意几何关系：tan30°=1/√3。
步骤 2/6
目标：应用托里拆利定律
孔面积 a=0.5cm²，重力加速度 g=980cm/s²，流速 v=√(2gh)，流出体积流量 dV/dt = -a v = -0.5√(2gh)。
公式：dV/dt = -0.5√(2gh)
提示：托里拆利定律：流速与液面高度平方根成正比。
步骤 3/6
目标：用水面高度表示体积变化率
圆锥内水的体积 V = (1/3)πr²h = (1/3)π(h²/3)h = πh³/9。对时间求导得 dV/dt = (π/3)h² dh/dt。
公式：V = πh³/9, dV/dt = (π/3)h² dh/dt
提示：体积公式正确求导。
步骤 4/6
目标：建立微分方程
由流量相等得 (π/3)h² dh/dt = -0.5√(2gh)，整理得 dh/dt = -(1.5√(2g)/π) h^{-3/2}。代入 g=980，√(2g)=14√10，得 dh/dt = -(21√10/π) h^{-3/2}。
公式：dh/dt = -(21√10/π) h^{-3/2}
提示：注意符号表示水面下降。
步骤 5/6
目标：求解微分方程
分离变量：h^{3/2} dh = -(21√10/π) dt。积分得 (2/5)h^{5/2} = -(21√10/π)t + C。初始条件 t=0 时 h=10，得 C = (2/5)×10^{5/2} = 40√10。因此 (2/5)h^{5/2} = -(21√10/π)t + 40√10，整理得 h^{5/2} = 100√10 - (105√10/(2π))t，即 h(t) = [100√10 - (105√10/(2π))t]^{2/5}。
公式：h(t) = [100√10 - (105√10/(2π))t]^{2/5}
提示：积分时注意常数项计算。
步骤 6/6
目标：求水流完所需时间
令 h=0，得 100√10 - (105√10/(2π))T = 0，解得 T = (200π)/105 = (40π)/21 s ≈ 5.98 s。
公式：T = 40π/21 s
提示：注意单位统一。

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