工程、浓度与经济 · 比例递推

多次置换模型

每轮剩下当前的固定比例;连续变化,把剩余倍率乘起来。

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01

总量回到原来,盐为什么越来越少?

100克盐水,质量分数20%。每轮充分混匀,倒出25克溶液,补回25克清水,再充分混匀。连续3轮后,还含多少克盐?浓度是多少?忽略蒸发、沉淀和其他损失。下面可对照“一次倒出75克再补75克清水”;两种操作总共倒出质量相同。

分3轮置换 · 初始状态

溶液100克,盐20克,质量分数20%。先充分混匀。

盐质量条:满条20克;每轮补水后总质量仍为100克。

对应左侧:分3轮置换

20克盐

先跟踪盐,再看总量

初始盐量=100×20%=20克。清水不带盐;下一步要倒出均匀盐水。

操作状态与数值逐步对应。盐质量条按比例;示意容器与液面不作质量或体积刻度。

关键问题:第二轮倒掉的还是5克盐吗?

第一轮补水后,盐已从20克变为15克。第二轮倒出整杯的1/4,只带走15×1/4=3.75克盐。倒出溶液的质量相同,倒出的盐量逐轮减少。

02

学习准备与模型条件

学习目标

  • 从一轮守恒推出“当前量×剩余倍率”。
  • 处理固定倍率、不同倍率及反求倒出量。
  • 辨认补液带入新成分时的递推修正。

本页为项目S班编排;不表示任何机构官方课纲。题目均为自拟。

必要前置

质量分数=盐质量÷溶液总质量;百分数化分数;连续分率变化要乘倍率。分清“盐量保留原来的3/4”和“浓度是3/4”。

本页“清水”指不含盐的补液。“一轮”包括:倒出前混匀→倒出→等质量补回→再混匀。各轮开始与完成时总质量相同,中途倒出后总质量较小。

每次倒出前充分混匀按质量计量、等量补回没有额外盐损失或析出

若题目给毫升或升,必须先说明密度和体积模型,不能把“等体积”自动改成“等质量”。不混匀、边进边出、只蒸发水,均需另建模型。

03

为什么逐轮乘剩余倍率?

从一轮推导,而不是背公式

每轮开始溶液总质量为 M 克,含盐 s 克。混匀后倒出 d 克,0≤d≤M。倒出液的质量分数仍为 s/M,因此倒出盐量为 d×s/M 克,剩盐 s−ds/M=s(1−d/M) 克。补回 d 克清水不带盐,总质量恢复为 M 克。

sk+1 = sk(1−d/M)

这里 sk 为完成 k 轮后的盐质量;s0 为初始盐质量。令 r=1−d/M,则 0≤r≤1,连续 n 轮(n 为非负整数):

sn = s0rn,cn = c0rn

ck=sk/M 是每轮补满后的质量分数。补满前,倒出均匀溶液只减少总量与盐量,浓度不变;补清水才降低浓度。盐量保留原来的 rn,不代表最终浓度本身等于 rn。

每轮倒出量不同

sn = s0∏(1−dk/M)

∏表示把第1轮到第n轮的倍率全部相乘。每轮仍补回相同质量,使总量回到M。不是把dk/M直接相加。

补液也含盐

ck+1 = (1−a)ck + ab

a=d/M 为每轮倒出分率,b为补液的盐质量分数。剩下原盐后,还要加上d×b克新盐。a、b固定时,cn−b=(c0−b)(1−a)n。

原成分与总盐要区分:即使补入盐水,能辨认来源的“原有盐”仍每轮按 r 减少;但“所有盐的总质量”会加上新带入的盐,不能只用 s0rn。数学上标记来源是记账方式,不假设肉眼能区分盐粒。

04

完整例题:正推、反求与补液变式

例题一 · 固定量置换三次

100克、20%的盐水,每次混匀后倒出25克,再补25克清水并混匀,共3轮。求最终盐量、质量分数,以及原有盐的剩余比例。

  1. 初始盐量100×20%=20克。每轮倒出分率25/100=1/4,剩余倍率3/4。
  2. 第一轮:20×3/4=15克;第二轮:15×3/4=11.25克;第三轮:11.25×3/4=8.4375克。
  3. 总质量仍100克,所以质量分数8.4375÷100=8.4375%;原盐剩余比例8.4375÷20=27/64。
  4. 独立核对倒出盐量:5、3.75、2.8125克。20−5−3.75−2.8125=8.4375克,符合盐量守恒。

例题二 · 由最终盐量反求每轮倒出量

160克、20%的盐水,每次混匀后倒出相同质量,再补回等质量清水并混匀。做2轮后剩盐18克。每轮倒出多少克?

  1. 初始盐量160×20%=32克。设每轮保留倍率为r,0≤r≤1。
  2. 32r²=18,得r²=9/16。因r不能为负,且(3/4)²=9/16,所以r=3/4。
  3. 每轮倒出分率1−3/4=1/4,倒出质量160×1/4=40克。
  4. 回代:32→24→18克,且每轮总质量回到160克。18克是盐量,不能把18/160当作原盐剩余比例;正确比例是18/32。

例题三 · 补回的是4%的盐水

200克、20%的盐水,每轮充分混匀倒出50克,补入50克、4%的盐水后混匀。连续2轮后浓度多少?忽略盐析和损失。

  1. 初始盐量40克。每轮保留3/4,并新带入50×4%=2克盐。
  2. 第一轮盐量40×3/4+2=32克;第二轮32×3/4+2=26克。
  3. 总质量200克,最终浓度26÷200=13%。
  4. 用差值独立核对:相对补液浓度4%,原浓度高16个百分点。两轮后差值为16×(3/4)²=9个百分点;4%+9%=13%。

这里原有盐的剩余量是40×(3/4)²=22.5克;新补盐最后还留2×3/4+2=3.5克。两者相加26克,正好等于总盐量。

05

迁移练习:每个分率的基准都写清楚

练习一 · 两轮倒出量不同

100克、20%的盐水,第一轮混匀倒出20克、补20克清水并混匀;第二轮倒出25克、补25克清水并混匀。最后含盐多少克?浓度多少?

展开完整解析

初始盐20克。第一轮保留1−20/100=4/5,盐变为16克。第二轮分母仍是补满后的100克,保留3/4,盐变为16×3/4=12克。

总质量100克,所以最终质量分数12%。剩余比例(4/5)(3/4)=3/5。若错误地算20×(1−20%−25%),只得11克;这把第二轮倒出分率作用在初始盐上,忽略补水后浓度变化。

练习二 · 最少几轮达到阈值?

一杯充分溶解的盐水初始含盐81克。每轮混匀倒出总质量的1/3,补回等质量清水再混匀。最少几轮后,盐量不超过24克?

展开完整解析

每轮盐保留2/3。逐轮计算:81→54→36→24克。第2轮仍为36>24克,第3轮恰好24克。因此最少3轮,不能因为“不超过”而多做一轮。

每轮倍率2/3介于0和1之间,盐量严格减少;检查阈值前一轮和达到阈值的一轮,足以证明轮数最少。结论只关心原盐量,不需要另假设初始浓度。

06

边界反例与易错回顾

为什么分两次各倒1/4,不能合成一次倒1/2?

设初始盐量为s。分两轮并在中间补水混匀,剩余s(3/4)²=9s/16;一次倒一半后补水,剩余s/2=8s/16。两者相差s/16。第二轮倒出的盐更少,所以分轮后剩得更多。同理,主例三轮各倒25克最终剩8.4375克盐;一次倒75克最终只剩5克盐。

不混匀时,相同总量不能确定倒出盐量

假设上层接近清水、下层盐水较浓,从上层取25克与从下层取25克,带走盐量可能不同。此时不能由“倒出总量的1/4”推出“盐也倒出1/4”;必须补充实际取液浓度。不把分层图当成均匀混合的示意。

使用前检查这些边界
情形或错误应怎样处理
每轮都减去初始盐的1/4应减去当前盐的1/4;倍率连乘。
只倒出就说浓度降低均匀溶液倒出时浓度不变;补清水后才降低。
补盐水也直接乘r总盐须加新带入盐;来源已标记的原盐可单独乘r。
d=0 或 n=0没有实际置换,盐量仍为s₀。
d=M,全倒出后补清水一轮后盐量为0;不要套“每轮都有正剩余”的说法。
0<d<M,有限轮只要初始有盐,每轮倍率正,有限轮后仍有盐;不会恰好成为纯水。
d>M、负数或未补足前者不合法;未补足使下一轮总量改变,须另写分母。

解题顺序:明确追踪哪种成分 → 查混匀与补量 → 写本轮倒出和带入 → 逐轮递推 → 核对盐量、总量与浓度的分母。

07

逐章回看

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一百克盐水,含盐二十克。每轮先充分混匀,倒出二十五克,再补回二十五克清水。

倒出的是整杯的四分之一。混合均匀,盐也倒出当前的四分之一,留下十五克。

补回的清水不带盐。总质量恢复一百克,盐仍是十五克;再次充分混匀。

第二轮倒出的盐,是十五克的四分之一。所以盐剩十一点二五克,不再减少五克。

补水混匀后做第三轮,再留下当前盐的四分之三,得到八点四三七五克。

关键是跟踪剩余倍率。每轮都乘四分之三,三轮就乘三次,剩原有盐的六十四分之二十七。

一般地,每轮倒出总量的几分之几,当前盐就减少同样的分率。多轮应连乘剩余倍率。

同样共倒出七十五克,分三轮置换,与一次倒出七十五克,结果并不相同。

一次倒出四分之三,盐只剩五克。多轮中后几次倒出的盐更少,所以最后剩得更多。

公式需要每次倒出前充分混匀,并等量补回。这里按质量计算,不假设液面高度正比于质量。

如果补入盐水,就会带回新盐,不能只连乘。先写本轮剩盐,再加补入的盐,逐轮递推。

08

学习与图示说明

本页以质量分数定义和逐轮质量守恒推导,题目为自拟,数值由精确分数独立核对;未将项目S班编排视为官方课纲。盐质量条按比例;容器、颜色与液面仅表示阶段,不表示密度、真实体积或混匀速度。正文、题目条件、公式与解析均可在不运行脚本时阅读。

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