题目
19.(10.0分)一个半球体形状的雪堆,其体积融化率与半球面面积A成正比,比例系数k>0.假设在融化过程中雪堆始终保持半球体状,已知半径为 r_(0) 的雪堆在开始融化的3小时内,融化了其体积的(7)/(8),问雪堆全部融化需要多少时间?
19.(10.0分)一个半球体形状的雪堆,其体积融化率与半球面面积A成正比,比例系数k>0.假设在融化过程中雪堆始终保持半球体状,已知半径为$ r_{0} $ 的雪堆在开始融化的3小时内,融化了其体积的$\frac{7}{8}$,问雪堆全部融化需要多少时间?
题目解答
答案
设雪堆在时刻 $t$ 的半径为 $r(t)$,则体积 $V(t) = \frac{2}{3} \pi [r(t)]^3$,侧面积 $S(t) = 2 \pi [r(t)]^2$。由题意,体积融化率 $\frac{dV}{dt} = -kS$,代入得:
\[
\frac{d}{dt} \left( \frac{2}{3} \pi [r(t)]^3 \right) = -k \cdot 2 \pi [r(t)]^2 \implies \frac{dr}{dt} = -k.
\]
积分得 $r(t) = -kt + C$,由 $r(0) = r_0$ 得 $C = r_0$,故 $r(t) = r_0 - kt$。
已知3小时后融化了 $\frac{7}{8}$ 的体积,即 $V(3) = \frac{1}{8} V(0)$,代入体积公式解得:
\[
[r_0 - 3k]^3 = \frac{1}{8} r_0^3 \implies r_0 - 3k = \frac{1}{2} r_0 \implies k = \frac{1}{6} r_0.
\]
因此,$r(t) = r_0 \left(1 - \frac{t}{6}\right)$。当 $r(t) = 0$ 时,$t = 6$。
**答案:** $\boxed{6}$ 小时。