Question

水車問題．

水車是一種利用水流的動(dòng)力進(jìn)行灌溉的工具，下圖是一個(gè)水車的示意圖，它的直徑為3 m，其中心(即圓心)O距水面1.2 m．如果水車每4 min逆時(shí)針轉(zhuǎn)3圈，在水車輪邊緣上取一點(diǎn)P，我們知道在水車勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，P點(diǎn)距水面的高度h(m)是一個(gè)變量，顯然，它是時(shí)間t(s)的函數(shù)．我們知道，h與t的函數(shù)關(guān)系反映了這個(gè)周期現(xiàn)象的規(guī)律．為了方便，不妨從P點(diǎn)位于水車與水面交點(diǎn)Q時(shí)開始記時(shí)(t＝0)．

　　首先，設(shè)法用解析式表示出這個(gè)函數(shù)關(guān)系，并用“五點(diǎn)法”作出這個(gè)函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的簡圖．

　　其次，我們討論如果雨季河水上漲或旱季河流水量減少時(shí)，所求得的函數(shù)解析式中的參數(shù)將發(fā)生哪些變化？若水車轉(zhuǎn)速加快或減慢，函數(shù)解析式中的參數(shù)又會(huì)受到怎樣的影響？

Answer 1

答案：
解析：

解：不妨設(shè)水面的高度為0，當(dāng)P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到水面以下時(shí)，P點(diǎn)距水面的高度為負(fù)值． 　　如圖，設(shè)水車的半徑為R，R＝1.5 m，水車中心到水面的距離為b，b＝1.2 m；∠QOP為α； 　　水車旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間為T；單位時(shí)間(s)旋轉(zhuǎn)的角度(rad)為． 　　過P點(diǎn)向水面作垂線，交水面于M點(diǎn)，PM的長度為P點(diǎn)的高度h． 　　過水車中心O作PM的垂線，交PM于N點(diǎn)，∠QON為φ． 　　從圖中不難看出：h＝PM＝PN＋NM＝Rsin(α－φ)＋b．① 　　用ω表示單位時(shí)間(s)內(nèi)水車轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(rad)，這樣，在t時(shí)刻水車轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：α＝ωt． 　　因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)水車轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是ω，所以轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間T＝． 　　又由于水車輪每4 min轉(zhuǎn)3圈，水車旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間為T＝80 s，可求出ω＝rad/s． 　　從圖中可以看出：sinφ＝， 　　所以φ≈53.1°≈0.295π rad． 　　把這些參數(shù)代入①，我們就可以得到h＝1.5 sin(t－0.295π)＋1.2(m)，② 　　這就是P點(diǎn)距水面的高度h關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系式． 　　因?yàn)楫?dāng)P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到53.1°時(shí)，P點(diǎn)到水面的距離恰好是1.2(m)，此時(shí)t＝≈11.8(s)． 　　故可列表、描點(diǎn)，畫出函數(shù)在區(qū)間[11.8，918．]上的簡圖： 　　如果雨季河水上漲或旱季河流水量減少，將造成水車中心O與水面之間的距離發(fā)生改變，而使函數(shù)解析式中所加參數(shù)b發(fā)生變化．水面上漲時(shí)，參數(shù)b減��；水面回落時(shí)，參數(shù)b增大．如果水車輪轉(zhuǎn)速加快，將使周期T減��；轉(zhuǎn)速減慢，則使周期T增大．