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圆锥体的体积

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圆锥体的体积

有什么简单的方法证明圆锥的体积?

圆锥的体积是1/3底面积乘以高。

不过这个公式的证明并不直观。

如果我们学过微积分的话,这个公式是可以用微积分直接计算出来的。

现在假设我们没有学过微积分,尝试用初等(简单)的方法证明。

首先我们设想一个正方体,在正方体的正中央点O向正方体的6个面分别构造6个5面体。

由于这6个5面体是全同的,所以任何一个5面体的体积都是正方体体积的1/6。

假设正方体的边长是a,如图对5面体OABCD而言,其体积是对5面体OABCD而言,它的底是正方形ABCD,底面积是a的平方。

由顶点O向底引垂线,垂线的长度是h,h=a/2因此OABCD的体积可表示为:1/3底面积乘以高。

这在形式上就已经是圆锥体的体积公式了。

我们可以设想正方体发生了“伸缩形变”,比如正方体沿上下方向拉长了,变成一个长方体,变成长方体后5面体OABCD的体积应当仍然是长方体体积的1/6。

因为我们在做这个“拉长”动作的时候,6个全同部分都同时在上下方向增长了相同的比例。

因此对拉长了的5面体OABCD,其体积公式仍然是:1/3底面积乘以高。

假设P是底面ABCD的中点,我们考虑四面体OABP,由于ABCD是正方形,四面体OABP的体积是5面体OABCD的1/4,这意味着四面体OABP的体积仍然是:1/3底面积乘以高。

我们现在对长方体ABCD继续做“伸缩变换”,假设我们让长方体延左右方向(即AB方向)缩短一个比例,由于5面体OABCD中全同的四个部分同时延AB方向缩短了相同比例,所以被“压缩了”的OABP的体积依然是:1/3底面积乘以高。

最后我们考虑一个圆锥体,圆锥体的底面是个圆,我们可以把圆割成无数个小三角形,考虑其中某一个小三角形PAB,由于AB很短很短,这样的考虑并不会产生任何误差(换句话说是严格的)。

假设圆锥的顶点是O,我们由O向底面圆的圆心P引垂线,得到一个四面体OABP,这个四面体的体积是:1/3底面积乘以高。

现在圆锥是很多很多个这样的四面体围绕OP轴线组成的,圆锥的体积是这些四面体的体积之和,所有这些四面体的高是相同的,都是OP的长度h,因此圆锥的体积是:所有的PAB这种小三角形拼起来是一个圆,它们的面积之和自然是圆的面积。

因此圆锥的体积也是:1/3底面积乘以高。

这里r是底面圆的半径。

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