直观圆锥体、球体等的体积算法

我们尽量用彩色图形来直观圆锥体、球体等的体积。 

需要几个步骤来解决:
  

    1)圆柱体的微分单元是三棱柱, 而圆锥体的微分单元是三棱锥。

 

所以, 只要证明三棱锥的体积,是等底等高的三棱柱的体积的1/3,即可知圆锥体积是同底同高的圆柱体的体积的1/3。
  

  2)如图,一个三棱柱可以切分成三个三棱锥:
  

 

(上图中,第二个“等底等高”的“高”是横着的,而“底”是竖着的。 )
  
  现在需要证明,这三个三棱锥,体积都是相等的,也就是各自的体积都是图中三棱柱的体积的1/3.
  
  证明需要的命题是:底面全等,且高度相等的三棱锥,体积必然相同。
  
  
  3)如图,底面全等,且高度相等的三棱锥,体积必然相同。这个命题的证明,需要基本的一个原理:祖暅原理。
   
  这个原理说:如果两个高度相等的立体,在任何同样高度下的截面面积都相等,那么,这两个立体的体积就相等。
  
  所以,下图可证明:若两三棱锥的底面(三角形)全等,高度相等,那么它们在任何高度上的截面(三角形)也必然全等。于是可以根据祖暅原理断言:
  
  等底等高的三棱锥,体积都相等:
  

 

三棱柱的体积,与立方体的体积一样,是底面积乘以高,(三棱柱可来自于半个立方体):

 

 

知道有关三角形的相似、比例、全等的一些定理,就可深入完成证明。

  
  下面这个图, 说明了一个直接的、有趣的推论:

 

 

注意上面这个图,在推算球体的体积的时候,还可以用到。
  
  
  
  
  下面再给几个有趣的推论,直到求出球体的体积和表面积公式:
  
  1) 金字塔锥的体积也是: (1/3)x底面积x高.
  
  
  这是由于金字塔锥是两个三棱锥构成的:

 

 

 

2)下面的图说明,球体的微分单元是金字塔锥体。
  
  由此可知,球体的体积 = (1/3)x 球的表面积 x 球半径.

 

上面的公式说明,球体的体积和表面积,只要知道其中一个信息,那么就可知道另一个信息。实际上,根据球体半径推算球体的体积,可以更先一步。
  
  
  3)球体的体积。
  
  先看半球的体积:

 

 

 

  
  这还要用到祖暅原理。上图中,左边的内部被挖空一个圆锥体的圆柱体,我们前面见过,右边是一个半球,高度(球半径)与左边的挖空圆柱体高度相同,都是R.
  
  根据图,在任何一个高度h上的水平截面,左边的被截环(绿色)面积是:πR2 - πh2.  而右边的图里,被截的圆(绿色)面积是:πr2 = π(R2- h2).
  
  可见,两形体在任何高度上的截面面积都是相等的。于是,根据祖暅原理,上面两形体的体积相同。
  
  左边形体的体积=圆柱体的体积-圆锥体的体积=(2/3)πR3.
  
  
所以,右边的半球的体积也是=(2/3)πR3.
  
  可知整个球体的体积公式是:
  
  V=(4/3)πR3.
  
  
  再根据球的体积与表面积的关系公式,可得球体的表面积公式为:
  
  S=4πR2.

(我们用直观方法得出了球的体积公式。学了微积分的人容易知道用下图的微积分算法求出球的体积公式)

 

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