傾けた半球の容器からこぼれる水の量(A)
★☆☆☆☆☆☆(教科書) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 傾けた半球の容器からこぼれる水の量(B) (★☆☆☆☆☆☆(教科書))
問題
半径 $a$ の半球形の容器に水を満たし,容器を静かに $30^\circ$ 傾けた.このとき,流れ出た水の量を求めよ.
容器の縁を含む平面は球の中心 O を通る.$30^\circ$ 傾けると,縁の最も低い点の深さは O から $a\sin 30^\circ=\dfrac{a}{2}$ である(下図).
O を原点とし,鉛直下向きに $x$ 軸をとると,残った水は $\dfrac{a}{2}\leqq x\leqq a$ の部分で,深さ $x$ における水面と平行な切り口は半径 $\sqrt{a^2-x^2}$ の円である.
\[ \text{残った水}=\pi\int_{\frac{a}{2}}^a(a^2-x^2)\,dx=\pi\left[a^2x-\frac{x^3}{3}\right]_{\frac{a}{2}}^a=\pi\left(\frac{2}{3}a^3-\frac{11}{24}a^3\right)=\frac{5}{24}\pi a^3 \]
はじめの水の量は $\dfrac{2}{3}\pi a^3$ であるから,流れ出た水の量は
\[ \frac{2}{3}\pi a^3-\frac{5}{24}\pi a^3=\frac{11}{24}\pi a^3 \]
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