Объемы тел вращения: объем цилиндра, конуса, усеченного конуса и шара
Вычисление объемов тел вращения. Принцип Кавальери, объем прямого кругового цилиндра V = πR²H, конуса V = (1/3)πR²H, усеченного конуса V = (1/3)πH(R₁² + R₁R₂ + R₂²) и шара V = (4/3)πR³.
1. Свойства объема:
• Неотрицательность: объем тела V >= 0;
• Аддитивность: если тело разбито на непересекающиеся части, его объем равен сумме объемов этих частей: V = V₁ + V₂ + ... + Vₙ;
• Равные тела имеют равные объемы (инвариантность при движении);
• За единицу объема принимается куб с ребром единичной длины (1 см³, 1 м³).
2. Принцип Кавальери:
Если при пересечении двух тел любыми плоскостями, параллельными заданной плоскости, площади сечений первого тела равны площадям сечений второго тела, то объемы этих тел равны.
3. Следствие:
Любая наклонная призма (или цилиндр) имеет такой же объем, как и прямая призма (цилиндр) с тем же основанием и той же высотой.
Чертеж: Объемы тел вращения (конус, цилиндр, шар)
Равенство сечений
Отношение 1 : 2 : 3
1. Объем прямого кругового цилиндра:
Основание — круг площади Sосн = πR², образующая перпендикулярна основанию и равна высоте H.
Формула объема:
V = Sосн * H = πR²H.
Через диаметр основания D = 2R: V = (πD²H) / 4.
2. Объем усеченного конуса:
Усеченный конус образуется вращением прямоугольной трапеции вокруг стороны, перпендикулярной основаниям. Радиусы нижнего и верхнего оснований — R₁ и R₂, высота — H.
Формула объема:
Геометрический смысл: объем усеченного конуса равен разности объемов полного исходного конуса высоты H₁ и отсеченного малого конуса высоты H₂: V = Vполн - Vотсеч.
V = πR²H
R₁² + R₁R₂ + R₂²
1. Объем шара радиуса R:
Через диаметр шара D = 2R:
2. Шаровой сегмент:
Часть шара, отсекаемая плоскостью. Высота сегмента — h, радиус шара — R, радиус основания сегмента — r.
Формула объема сегмента:
Vсегм = πh²(R - h/3) = (1/6)πh(3r² + h²).
3. Шаровой сектор:
Тело, состоящее из шарового сегмента и конуса с вершиной в центре шара:
Vсект = (2/3)πR²h, где h — высота соответствующего шарового сегмента.
V = 4/3 πR³
Пошаговое нахождение объема тела вращения:
Определение геометрического типа тела
Нахождение основных линейных параметров
Применение формулы объема
Типовая тестовая задача ЕНТ:
«Радиус основания конуса увеличили в 3 раза, а высоту уменьшили в 2 раза. Во сколько раз изменился объем конуса?»
Частая ошибка:
Ученики рассуждают: радиус в 3 раза больше, высота в 2 раза меньше, значит объем увеличился в 3/2 = 1.5 раза.
Правильный расчет:
Формула объема: V = (1/3)πR²H.
Радиус входит в формулу ВО ВТОРОЙ СТЕПЕНИ (в квадрате!):
Vновый = (1/3)π * (3R)² * (H / 2) = (1/3)π * 9R² * (H / 2) = 4.5 * ((1/3)πR²H) = 4.5 Vисх.
Объем конуса увеличился в 4.5 раза!
Закон степени в объеме
Радиус основания входит в объем цилиндра и конуса в квадрате, а в объем шара — в кубе. При изменении радиуса шара в k раз его объем возрастает в k³ раз!
