棱柱、棱锥与棱台
棱柱的平行截面始终与底面全等,棱锥的平行截面越靠近顶点越小。体积同时依赖底面积和垂直高;侧棱倾斜时,它不是高。先弄清所测的是实体内部的体积,还是外表面需要覆盖的面积,再选公式。
棱柱:同样截面叠成体积
设底面积为 、两底面平面间垂直距离为 。不论棱柱是直的还是斜的,与底面平行的每个截面面积都是 ,因此体积为 。可以把它想成许多极薄且同面积的层叠在一起;斜棱柱把层横向平移,不改变每层面积或总高度。
直棱柱的侧面是矩形,若底面周长为 ,各侧面宽度的和为 、高度都为 ,故封闭直棱柱表面积为 。斜棱柱的侧面通常是平行四边形,不能把侧棱或垂直高随手代进这条直棱柱公式。
棱锥:相似截面解释三分之一
底面积 、高 的棱锥有 。从顶点向底面量到高度 ,平行截面的每条线段是底面对应长度的 倍,面积因而是 。把高度等分成 个薄层,用每层上下两端的截面积夹住其体积,得到 平方和 ;上下两界在层数增加时都趋向 。这说明三分之一来自截面积按长度比的平方变化,而不是所有棱锥恰好比某个棱柱“少两块”。若尚未学习极限,可先用下例掌握公式,证明留到数列的极限再读。
例如正四棱锥底面边长 6、高 4,则 ,体积 立方单位。若要算侧面积,还需侧面三角形从底边中点到顶点的斜高 。四个侧面面积共 ,加底面得到封闭表面积 96 平方单位。侧面积用斜高 5,体积用垂直高 4;混用会得到不同错误。
棱台:两端面积都进入公式
设棱台下、上底面积为 ,高为 ,两底相似。记相似比 (),把被截去的小棱锥补回,原大棱锥高为 ,小棱锥高为 。相减得 例如两端是边长 4 与 2 的正方形,高 3,则 ,体积 立方单位。它小于同高、下底为 16 的棱柱体积 48,大于同底同高棱锥的 16,与截去顶部后的形状相符。
练习:底面积 18、高 5 的棱柱与同底同高的棱锥,体积分别是多少?分别为 90 与 30 立方单位;底面积和高相同,不意味着实体体积相同。
参考资料
- OpenStax,Contemporary Mathematics,§10.7:棱柱的体积与表面积。
- 继续阅读:圆柱、圆锥与圆台、球的体积与表面积、数列的极限。