正四棱台体积公式

巡山小妖精
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2021年02月21日 14:52
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2021年2月21日发(作者:我和我追逐的梦歌词)



基于数学史的教学案例:正四棱台体积公式




朱哲



张维 忠


(浙江师范大学数理与信息科学学院


321004






对中西古代数学文化的深入研究,特别是这种历史的挖掘,目 的还是为了指向现实、着眼于未来。本


文给出的一则基于数学史的教学案例,正是笔者设 想的在数学教育中通过数学史的渗透,在传统与现代之


间架起一座桥梁,从而实现数学教 育的现代化。



1


教学案例:正四棱台体积公式



1.1


提出问题


师:我们已经学过了棱锥,我手上拿着的是一个正四棱锥的模型。如果我们在它顶部截去一个小的正


四棱锥,就得到一个正四棱台(模型演示)


。假如这个正四棱台下底面正 方形边长为


a


,上底面边长为


b



高为


h


,那么它的 体积该如何表示呢?今天我们就来研究这个问题。




1


:既然正四棱台可以由一个大的正四棱锥截去一个小的正四棱锥得到, 我就可以通过大正四棱锥








< p>
















高< /p>



x




V



V


=

< p>
1


3


a


(


h



x


)


2








V< /p>







1


3


b

< p>
x



2


1


3


a


h


2


1


3


。我做不下去了。



(


a



b


)


x


< br>„„)


2


2


1.2


类比、猜想、实验



师:这位同学的思路非常好,只 是暂时遇到了困难。我们把这一问题放一边,先来猜想一下



正 四棱台体积的公式。大家回忆一下一些图形的面积和体积公式(与学生一起填写下表)




b


b


a


b












h



S



a



ah



S


< /p>


a


S



ab



1


2


1


2


b



a



b



h

< br>


c


b


a


h


h



V



abc



a



1


3


a


h



2


a



V



V



?








1


2



2


:我想


V



1


2



a


2



b


2



h


,因为梯形面积公式 为


S


1


3


< /p>


a



b



h




3

< p>


3


:我


觉得

< p>
应该



V



V



1


3

< br>


a


2



b


2



h



因为


正四


棱锥



积公


式中


有系



1



且当


b



0



,< /p>



a


2



b


2



h

< p>


1


3


a


h


,


即为正四棱锥体积公式。



2


师:这些公式对不对呢?我们来做个实验。我这里有个空心的 正四棱台容器,上底边长


0


.


2


米,下底


边长


0


.< /p>


3


米,高


0


.< /p>


2


米,里面装满沙子。由生


2

< p>
的公式得沙子体积为


V



米,由生


3


的公式得


V



1


3


1

2



0


.


04



0


.


0 9



0


.


2< /p>



0


.


013< /p>


立方



0


.


04



0


.


09



0


.


2



0


.


00867


立方米。我们再把沙子倒入底面边长为


0


.


2


米的柱


形 容器,量一下,高为多少?约为


0


.


3 15


米,体积约为


0


.


0126


立方米。看来上面两个公式都不是很准确。



———————



< br>本文为全国教育科学“十五”规划教育部重点课题“文化传统与数学教育现代化”



DHA010276


)阶段成果。




4


:梯形面积公式中系数是



1


3


1


2


,是因为括号内只有


a



b


两项。那么,如果正四棱台体积公式系数

1


3








有< /p>







a


2


< p>
b


2







ab

< br>,




V



1


3



a


2



ab


< /p>


b


2



h


1


3



< p>


a


h


是正


2


V



< br>0


.


04


0


.


06



0


.


09



0


.


2



0< /p>


.


0126


。这与我们的实验结果一致。 另外,当


b



0


时,


V



四棱锥的体积公式;当


h



b



a


时,


V


< p>
a


3


是正方体的体积公式。我想这个公式应该是正 确的。



1.3


推导公式





师:大家同意他的观点吗?( 同意!


)那好,下面我们就来证明或者说是推导这个公式。用什么方法

< br>来推导呢?刚才我们是通过类比的方法归纳出这个公式的,那我们能不能用类似求梯形面积的方法来求正< /p>


四棱台的体积呢?我们不妨试试看,我先请同学们说出尽可能多的梯形面积公式的推导方法 。




5


:< /p>


(


如图


1)


S< /p>



a


h


b


a


b


b


h

< p>
1


2


S


平行四边



=


1


2



a



b

< br>


h




x


a




(图


1




(图


2





6



(如图


2


)设小三角形高为


x


,大三角形高为


x



h


,因为这两个三角形相似,所以



x



bh


a


< p>
b


b


a



x


x



h



S



1


2


a



x< /p>



h




1


2


ah



1


2


1


2


bx



1


2


ah



1


2

< br>1


2


(


a



b


)


x



1


2


ah


< /p>


1


2


(


a



b


)(


bh


a



b


)

< p>


1


2


(


a



b


)

h






7



(如图


3



S



b< /p>


h


a


=


bh




(


a



b


)


h




h


a

< br>+


h


b



(图


3



< /p>



8



(如图< /p>


4



S



b


h


a


=

< p>
a-b


1


2


(

< p>
a



b


)


h



bh


< br>1


2


(


a



b


)


h




b


h


+


h


b


b




(图


4




(图


5



< /p>


师:有没有其他方法?还记得我们以前是如何证明梯形中位线定理的?



9



(如图


5



S



S


三角形


h


a


=


1


2


(< /p>


a



b


)


h




师:


接下来我们就利用类似的方法试着来推导正四棱台的体积公式。


第一组用 生


5


的方法,


第二、

< br>三、


四组同学分别用生


6



7



8


的方法。如 果你觉得这种方法做不出或者做出来了,请再用生


9


的方法推导 。


(学生独立思考、互相讨论来解决问题,教师适当介入,给予提示指导。当第四小组完 成其推导后,教师


再给他们一道思考题:有这样一个四棱台,它的两个底面是长方形。上 底面边长分别为


a



b


,下底面边


长分别为


c



d


,高


h


,求其体 积。




1.4


展示成果


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