旋转体体积公式

萌到你眼炸
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2021年02月11日 21:56
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2021年2月11日发(作者:涨)


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。



.


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。




.


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

< p>
W=h*R





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


θ


*a*a*a/12


4.

< p>
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




.


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



=2


π


r1+2


π

r2+2


π


r3+...2


π


rn=2


π


*(r1+r2+r3+... rn)=2


π


*Wj=2


π

< p>
*Zj*Pj


(


证毕


)



.


应用举例



(抱歉,因发帖数量不够,无法上传例题示意图)


< p>


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


π


*1*R=2


π


R



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

< p>
*Zj*Pj =2


π


*r*r/2=

< p>
π


*r*r



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



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

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