空間図形の問題
内側の底面の半径が 、深さが の円柱の形をした容器があり、底面を水平にして置いてある。この容器に、深さ まで水が入っている。
この容器に、半径 の鉄の球を静かに入れたところ、球は容器の底についた。このとき、容器の底から水面までの高さは何 か。ただし、容器の厚さは考えず、水はこぼれないものとする。
この問題で使うもの
この問題を解けるようになるまで(8 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
水面の高さは、「水の体積」と「水中にある球の体積」の合計を容器の底面積でわることで求められる。
ヒント 2
球の体積は で求められる。半径 の球なら である。
ヒント 3
水の体積は 、容器の底面積は である。求めた水面の高さが球の直径 より大きいかどうか、つまり球が完全にしずんでいるかも確かめよう。
答えと解説
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解説を読む
水の体積. 容器の底面積は なので、水の体積は
球の体積. 半径 の球の体積は
球が水に完全にしずむかどうか. 球の直径は で、容器の内側の直径 より小さいので、球は容器に入り底につく。このとき球のいちばん上の点は底から の高さにある。
仮に球が完全に水中にあるとすると、水と球の体積の合計は
で、水面の高さは
となる。 は球の高さ より大きいので、球は確かに完全に水中にあり、この仮定は正しい。また なので水はこぼれない。
よって、底から水面までの高さは である。
別解
はじめの水の体積は 。球の体積は 。球が完全に水に沈んでいると仮定すると、水面の高さを として より 。
確かめ: 球は底についていて高さは直径 cm、 なので球は完全に水に沈んでおり仮定は正しい。また なので水はこぼれない。