球的体积与表面积
球是到固定中心距离不超过 的空间点的集合;其边界球面只含距离恰等于 的点。半径加倍,表面积变为原来的四倍,体积变为原来的八倍。下面用截面解释体积公式,并把它与表面积区别开来。
横切一层的面积
把球心放在原点,竖直方向坐标记作 。距中心 的水平截面是圆盘:截面半径 与竖直距离 构成直角三角形,故 ,截面积为 中心处截面最大,越靠近两极越小,极点处面积为零。把每层都当成面积 的圆柱层,会高估球的体积。
从圆柱中挖去双圆锥
取半径 、高 的圆柱,中心高度与球心齐平。再挖去上下两个圆锥,它们都以圆柱的端面为底、球心为顶点。在高度 ,圆柱截面积为 ,双圆锥的截面半径为 、面积为 ;剩下的截面积恰等于 。同高处截面积处处相等,由卡瓦列里原理,两实体体积相等。
圆柱体积为 ;每个圆锥底面积 、高 ,体积 。因此 这个推导把三分之一来自哪里、为何要减两次都留在图和公式里;卡瓦列里原理的极限基础可在积分中继续理解。
表面积量的是外壳
球面面积为 。与体积的量纲比较,表面积以平方单位计、体积以立方单位计。一个利用薄壳的极限解释是:半径从 增至 ,外层体积 当壳足够薄,体积与厚度之比趋向 ;平滑球面的这条薄壳极限给出面积公式。它是表面积的极限推理,不是把球误当成半径 、高 的圆柱侧面。
若半径为 3 厘米,表面积 平方厘米、体积 立方厘米;两数恰巧同为 ,但单位不同。把半径改为 6 厘米,面积变为 、体积变为 ,四倍和八倍立即分开。
参考资料
- OpenStax,Contemporary Mathematics,§9.3:几何体积及单位。
- 继续阅读:立体图形与直观图、圆柱、圆锥与圆台、积分。