4刍甍、羡除、刍童及楔形四棱台的体积公式

余年寄山水
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2021年02月21日 14:54
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2021年2月21日发(作者:为你等待)


刍甍、羨除、刍童及楔形四棱台的体积公式





题


1

(2013


年高考湖北卷文科第


20


题


)


如图


1


,某地质队自水平地面


A


,


B


,


C


三处垂直


向地下钻 探,


自


A


点向下钻到

< br>A


1


处发现矿藏,


再继续下钻到


A


2


处后下面已无矿,


从而得到在


A


处


正下方的矿层 厚度为


A


1


A


2



d


1


.< /p>


同样可得在


B


,


C


处正下方的矿层厚度分别为


B


1


B


2



d


2


,


C


1


C


2



d

< br>3


,


且


d


1



d


2



d


3


.


过< /p>


AB


,


AC


的中 点


M


,


N


且与 直线


AA


2


平行的平面截多面体


A


1


B


1

< p>
C


1



A


2


B


2


C

2


所得的截面


D


E


F


G


为该多面体的一个中截面,其面积记为

< p>
S


中


.




图


1


( 1)


证明:中截面


D


EFG

< p>
是梯形;



(2)


在△


ABC


中,记


BC



a


,


BC


边上的高为


h


,面积为


S


.


在估测三角形


ABC

< br>区域内正


下方的矿藏储量


(即多面体

A


1


B


1


C


1



A


2< /p>


B


2


C


2


的体积


V


)


时,


可用近似公式


V


估



S


中



h< /p>


来估算


.


1


已 知


V



(


d< /p>


1



d


2



d


3


)

< p>
S


,试判断


V


估


与


V


的大小关系,并加以证明

< br>.


3


1


1

< br>笔者关心的是:


该题中的


V


< /p>


(


d


1



d


2



d

< p>
3


)


S


即


V



ah


(

< br>d


1



d


2



d


3


)


是怎么来的呢?


3


6

< br>这由下面推导的羨除体积公式立得


.


题


2


(2002

< br>年高考北京卷文科第


18


题


)< /p>


如图


2


,在多面体


ABCD


—


A


1

B


1


C


1


D


1


中,上、下底


面平行且均为矩形, 相对的侧面与同一底面所成的二面角大小相等,上、下底面矩形的长、


宽分别为


c


,


d


与


a


,


b


且

< br>a


>


c


,


b


>


d


,两底面间的距离为


h


..


(1)


求侧面


ABB


1


A

1


与底面


ABCD


所成二面角正切 值;



(2)


在估测该多面体的 体积时,经常运用近似公式


V


估


=


S


中截面


·


h


来计算


.


已知它的体积公

< br>式是


V



h

(


S


上底面


+4S


中截面


+S


下底面


)


,试判断


V


估


与


V


的大小关系,并加以证明


.


6



(注:与两个底面平行,且到 两个底面距离相等的截面称为该多面体的中截面


.


)

< p>



图


2


题


3


(2002

< br>年高考北京卷理科第


18


题


)< /p>


如图


3


,在多面体


ABCD


—


A


1

B


1


C


1


D


1


中,上、


下底面平行且均为矩形,


相对的侧面与同一底面所成的二面角大小相等,


侧棱延长后相交 于


E


,


F


两点 ,上、下底面矩形的长、宽分别为


c


,


d


与


a


,


b< /p>


且


a


>


c


,


b


>


d

< p>
,两底面间的距离


为


h


. .






(1)


求侧面


ABB

< br>1


A


1


与底面

< br>ABCD


所成二面角的大小;







(2)


证明:


EF//


面

ABCD






(3)


在估测该多面体的体积时,经 常运用近似公式


V


估


=


S


中截面


·


h


来计算


.


已知它的体积公


式是


V



h


(


S


上底面


+4S


中 截面


+S


下底面


)

,试判断


V


估


与

< br>V


的大小关系,并加以证明


.


6





(注:与两个底面平行,且到两个底面距离相等的截面称为该多面体的中截面


.


)




图


3


笔


者< /p>


关


心


的


是


:


高


考


题

< p>
2,3


中


的


V

< p>


h


(


S


6


上


底


面

+4S


中


截


面

+S


下


底


面


)


即


h


V



[(2


a



c


)


b



(2< /p>


c



a


)


d


]


是怎么来的呢?这由下面推导的刍童体积 公式立得


.


6


《九章算术·商功》篇 有部分题目涉及到刍甍、羨除、刍童及楔形四棱台的体积公式,


这些公式秦汉时人都已掌 握,下面来推导它们


.


1.


刍甍



刍


甍


是图


4


所< /p>


示中


的五


面


体< /p>


ABCDEF


,


其


中


AB


//


DC

//


EF


,


底面

< br>ABCD


是平行四边形


.


设


AB



a


,


直线


AB


、


CD


之间的距离是


h


,


直线


EF


与


Hh


(


2


a



c


)


.


平面


A BCD


之间的距离是


H


,则其体积


V



6



图


4


证明




如图


5


所示


.


设点


E


,< /p>


F


在面


ABCD


上的射影分别是点


E



,


F



.



图


5


我们把平面

ABCD


分成三块区域:区域


I


指 该平面位于直线


AD


左侧的部分


(


不包


AD


、


BC< /p>


之间的部分


(


包括直线这两条直线


)


,


括直线


AD


)


,


区域


II


指该平面夹在直线


区域


III


指该平面位于直线


BC


右侧的部分

< br>(


不包括直线


BC


).


应分六种情形来证明:



(1)


点


(2)


点


(3)< /p>


点


(4)


点


(5 )


点


(6)


点


E



,


F


< /p>


均位于区域


I


;



E



位于区域


I


,点


F



位 于区域


II


;



E



位于区域


I

,点


F



位于区域


III


;



E



,


F


均位于区域


II


;



E



位于区域


II


,点


F



位于区域


III


;



E



,


F



均位于区域


III


.


G


;


过点


F



作


IJ



CD


于


I


,


交


AB


于


下面只对情形


(5)


予以证明:



过点

< p>
E



作


GH



CD


于


H



,


交


AB

< br>于


J


,得


GH

< br>


h


,


E


E




H


, 所以



V



V


直三棱柱


EGH


FJI



(


V

四棱锥


AGHD



V


四棱锥


BJIC


)




Hh


H


Hh


H


c



(

< p>
S


AGHD



S


BJIC


)



c



(


S


ABCD



S


GJIH


)< /p>




2


3


2


3


Hh


H


Hh



c


< p>
(


ah



ch

< p>
)



(


2


a



c


)


2


3


6


证毕!



2.


羨除



羨


除


是图


6


所< /p>


示中


的五


面


体< /p>


ABCDEF


,


其


中


AB


//


DC

//


EF


,


底面

< br>ABCD


是梯形


.


设

< p>
AB



a


,


DC



b


(


a



b


)

,直线


AB


、


CD


之间的距离是


Hh


h


,直线< /p>


EF


与平面


ABCD

之间的距离是


H


,则其体积


V



(


a



b



c


)


.


6



图


6


证明




用补形法可证


.



图


7


如图


7


所示,延长


积公式,得



CD


至


R


,使


AB



RC


,


得刍甍


ABCREF


,由 刍甍的体


Hh


H


(

a



b


)


h


Hh



(


2


a



c


)





(


a



b



c


)



6

< br>3


2


6


V



V


刍甍


ABCREF



V


三棱锥


E



ADR


注


< p>
羨除的体积公式是由刍甍的体积公式推得的;


当羨除的下底面梯形变成平行 四边形


时


(


即图


4


所示中的


a


b


时的情形


)


,羨除就变成了刍甍 ,也得刍甍的体积公式是羨除的


体积公式的极限情形


.


3.


刍童



刍 童是图


8


所示中的六面体


ABCD



A



B



C



D



,其中面


ABCD


//< /p>


面


A



B



C



D

< p>


,


底


面


A


B


C


D

、


底


面


A



B



C


< /p>


D



均


是


平


行


四


边

< p>
形


.


设


AB



a


,


A

< br>


B




b


,直线


AB


、

CD


之间的距离是


h


,

< p>
A



B



、


C



D


之间的


距


离

是


h



,


面


A


B


C


、< /p>


D


A



B



C



D

< p>


之


间


的


距


离


是


H

,


则


其


体


积


H


V



[(


2


a



a



)


h



(


2


a




a


)


h

< br>


]


.


6



图


8


证明




如图


9


所示,可得面


AB

< br>B



A



与平行平面


ABCD


、


A

< p>


B



C



D



的交线


AB


、


A


< br>B



平行


,

所以


A



B



//


CD


.


连结


A



D


,


B



C


.



图


9


由刍甍的体积公式,得



V

< p>


V


刍甍


B



A



ABCD

< p>


V


刍甍


CD

< p>
A



B



C



D



H


[(


2


a



a



)


h



(


2


a




a


)


h



]



6


注




刍童的体积公式是由刍甍的体积公式推得的;


当刍童的上底面平行四边形变成线段

-


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