旋转体体积公式
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在传统立体几何中,各种旋转形体的侧(表)面积和体积计算方法是各自独立的,不便学习
记忆。本文介绍一个适用于一切旋转形体的万能公式,简单,易学,好用。
一
.
基本概念
1.
质量
空间图形(点,线,面,体)都可以看作是空间点的集合,一个具体的空间图形包含的点数
是有限但不可数的。我们把一个空间图形包含的全部点数,称为该图形的质量。
<
/p>
由于图形包含的点数不可数,
所以要用间接方式来表示图形的质量
。
我们可以用长度来表示
线的质量,用面积来表示面的质量,用
体积来表示体的质量。这就像,一堆小米的粒数是有
限但不可数的。
尽管这堆小米的粒数一定有一个确切的数字,
但这个数字可能我们永远也不
会知道,也不必知道,我们只需知道有几斗几升,或几斤几两就行了。
关于质量概念,存在着下面的事实:空间图形的质量,等于它各个部分的质量之和(质量
公
理)。
2.
位量和重心
< br>构成空间图形的点,
都有各自的位置。
在平面内,
点的位置可以用它到参考直线的距离来表
示。
我们把构成一个空间图形的所有点的位置总和,
称为该图形的位量;
把构成空间图形的
所有点的平均位置,称为该图形的重心,并以它作为整个图形的位
置。显然,位量
=
重心
*
总点数。用
W
表示位量,用
Z
表示重心,用
P
表示质量,上式可以
写成
.
W=Z*P
(
1
)
<
/p>
关于位量概念,也存在着下面的事实:空间图形的位量,等于它各个部分的位量之和(位量
公理)。
3.
旋转基图
旋转面和旋转体可统称为旋转形体。
用过旋转轴的平面截切后,
得到一个轴对称形的截面图,
我们取旋转轴一侧的半图作为旋转基图。
旋转面的基图是线,
旋转体的基图是由闭合的线围
成
的面。
二
.
平面图形的位量和重心
要使用万能公式,
需先计算旋转基图的位量,
笔者提供以下判断和计算平面图形的位量和重
心的方法:
1.
形状规则图形的重心是它的几何中心。如圆,正多边形,中心对称图形等。
2.
轴对称图形的重心在它的对称轴上
3.
形状不规则的图形可以先分解成几个规则或简单的部分,<
/p>
分别求出各部分的位量后,
再求
总和。常
见旋转形体的基图,总可以分解成以下四种图形:
(抱歉,因
发帖数量不够,无
法上传示意图)
(
1
)直线段
直线段的重心是它的中点
(
2
)圆弧线
如图
1
,位于位置参考线一侧且圆心在
参考线上的圆弧线,其位量等于它在参考线上的投影
长度与弧半径的乘积,即
W=h*R
。
(
p>
3
)三角形面
三角形面的重心是三个顶点的平均位置,
即重心到参考线的距离等于三个顶点分别到参考
线
距离的平均值。
(
4
)弓形面
如图
2
,圆心在位置参考线上,弓弦与
参考线平行的弓形面的位量,是弦长立方的十二分之
一,即
W=
a*a*a/12
。
如图
3
,弓弦与参考线不平行的弓形面,可以看作是上述弓形面绕圆心旋转一
定角度所得,
它的位量还与旋转的角度有关。即
W=cos
p>
θ
*a*a*a/12
4.
如果一个图形的位量是
W0
,
质量是
P
,
则当它的重心改变了<
/p>
Z△后,
其位量变为
W=W0+Z△*P
三
.
旋转形
体质量计算的万能公式
在旋转基图中,以旋转轴作为位置参
考线,则基图的位量,重心和质量可以分别表示为
Wj
,
Zj
,
Pj
。
已知,圆周长等于半径的
2
π
倍,据此可以推导出旋转形体质量计算的统一方法。
定理:旋转形体的质量,等于它的基图位量的
2
π
倍。
证明:如图
4
,旋转基图由有限但不可数的许多空间点构成,它们到旋转轴
的距离分别为
r1,r2,r3,......,rn
。
每个点经旋转一周后,
都形成一条圆周线,
旋
转形体由所有圆周线构
成。根据质量公理,旋转形体的质量,就是所有圆周线质量的总和
。即
P
旋
=2
π
r1+2
π
r2+2
π
r3+...2
π
p>
rn=2
π
*(r1+r2+r3+...
rn)=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj
(
证毕
)
四
.
应用举例
(抱歉,因发帖数量不够,无法上传例题示意图)
例
1.
如何理解圆周长公式?
答:圆周线是最简单的旋转形体,基图是一个点,其质量是
1
,它到旋转轴的距离是半径
R
,<
/p>
所以
C=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj =2
p>
π
*1*R=2
π
R
例
2.
求半径为
< br>r
的圆的面积。
解:圆可以
看作是最简单的旋转形体之一,基图是半径,质量为
r
,重心为
r/2
,所以
S=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj =2
π
*r*r/2=
π
*r*r
例
3.<
/p>
求半径为
r
,高为
h
的圆柱的侧面积和体积。
解:
圆柱侧面的基图是一条线段,长度为
h
,重心距旋转轴为
r
,所以
S=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj =2
π
*h*r
圆柱体的基图是一个矩形面,面积为
h*r
,重心距旋转轴为<
/p>
r/2
,所以
V=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj =2
π
*h*r*r
/2=
π
*h*r*r
例
4.
求底半径为
r
,高
为
h
,母线长为
l
的圆锥的侧面积和体积。
解:圆锥侧面的基图是一条线
段,长度为
l
,重心距旋转轴为
r/2
,所以
S=2
π
*Wj=2
π
*Zj*Pj =
2
π
*l*r/2=
π
*l*r