8.3 简单几何体的表面积与体积

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本节的知识树

2 公式 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 16 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

§8.1 讲了多面体和旋转体各自长什么样,§8.2 讲了怎么把它们画到纸上。这一节开始量它们: 表面积是「表面有多大」,体积是「占了多少空间」。整个 §8.3 分两半——这一节(§8.3.1)处理 多面体(棱柱、棱锥、棱台),下一节(§8.3.2)处理旋转体和球。

先把这一节的分量说清楚:表面积这一半几乎没有内容,因为多面体的表面就是一堆多边形, “表面积”这个词展开就是”把每个面的面积加起来”,没有公式可背;分量全在体积这一半的三条公式上, 而那三条其实是一条。往下按这个轻重来讲。

一、表面积:不是公式,是一句话

多面体的表面积就是围成多面体各个面的面积的和。

这句话是定义,不是定理。它之所以能这么简单,是因为多面体的每个面都是平面多边形—— 初中已经会算了。(下一节的圆柱、圆锥就没这个便利:侧面是曲面,必须先”剪开摊平”才有面积可算, 所以那一节才需要一串侧面积公式。)

于是多面体表面积题的全部技术含量在两件事上:

  1. 数清楚有几个面、哪些面全等。 课本例 1 就是模板:正四面体的四个面是全等的正三角形, 算一个乘 44 就完了——S=4×34a2=3a2S=4\times\dfrac{\sqrt3}{4}a^2=\sqrt3 a^2。真正的动作是”认出全等”, 不是”算面积”。
  2. 认清每个面的真实形状。 直观图里看着是平行四边形的侧面,实际可能是矩形;侧棱倾斜的 棱锥,侧面三角形的高不是棱锥的高,得另外用勾股定理算(这个”斜高”是后面最容易代错的量)。

两个术语上的坑,现在就说清楚:

  • 表面积 ≠\ne 侧面积。 表面积含底面,侧面积不含。题目问哪个就答哪个。
  • 组合体的表面积不是两块表面积相加。 粘在一起的那两个面被封在里面,看不见了,要减掉两次; 若是挖空型(从一块里挖掉另一块),挖出来的内壁反而是新露出来的面,要加上。 判断办法很笨但可靠:想象从各个方向看过去,看得见的面才算。 (体积就没有这个麻烦——体积可以直接加减,表面积不能,这是组合体题里最值得记住的一句话。)

“减掉两次”这句还要再拆细一格,否则会在下一个岔口翻车: 一处粘合减掉的是两倍”接触面”,不是两倍”被贴的那张面”。 两块贴在一起时,接触的只是它们的公共部分,而这块公共部分对两块的意义常常完全不同:

  • 面积小的那一块,整张面都在接触区里,于是整张消失;
  • 面积大的那一块,只有一部分被盖住,剩下的那一圈照样露在外面。

举个具体的:一个长方体的左面是 3×6=183\times6=18,在它左面贴上一个横放的三棱柱, 接触到的只是 3×3=93\times3=9 的一块正方形。这时三棱柱那张 3×33\times3 的竖面整张不见了(减 99), 而长方体的左面从 1818 变成 99(也减 99)——两笔都等于接触面 99,公式里的 −2S接触-2S_{\text{接触}} 说的就是这件事。把长方体的左面整张 1818 划掉,是这类题最高频的失分点, 浙江 2014 年第 3 题的干扰项 B 正是这么算出来的。

二、体积:三条公式其实是一条

V棱柱=Sh,V棱锥=13Sh,V棱台=13h(S′+S′S+S)V_{\text{棱柱}}=Sh,\qquad V_{\text{棱锥}}=\frac13Sh,\qquad V_{\text{棱台}}=\frac13h\left(S'+\sqrt{S'S}+S\right)

其中 SS、S′S' 是底面面积(棱台的 S′S' 是上底、SS 是下底),hh 一律是高。

课本在这三条后面留了一个「思考」:它们之间是什么关系?答案是台体那一条包含另外两条:

  • 令 S′=SS'=S(上下底面一样大),棱台退化成棱柱,公式变成 13h(S+S⋅S+S)=13h⋅3S=Sh\frac13h(S+\sqrt{S\cdot S}+S)=\frac13h\cdot 3S=Sh ✓
  • 令 S′=0S'=0(上底面缩成一个点),棱台退化成棱锥,公式变成 13h(0+0+S)=13Sh\frac13h(0+0+S)=\frac13Sh ✓

这两个退化方向同时是记忆法和自检法。 写出台体公式后,先把 S′=SS'=S 和 S′=0S'=0 各代一遍, 两个方向都退化对了,公式才没抄错——漏掉 S′S\sqrt{S'S} 那一项的人,在第一个方向上就会得到 23Sh\frac23Sh,当场露馅。

关于 hh,课本在页边用三条旁注反复说的是同一件事:

立体高是谁到谁的距离
棱柱两个底面之间的距离(从一底面上任一点向另一底面作垂线)
棱锥顶点到底面的距离
棱台两个底面之间的距离

高一律是”垂线段的长”,不是侧棱长、不是斜高。 直棱柱里侧棱恰好垂直于底面,两者数值相等, 所以直棱柱题里可以放心用侧棱长;一旦是斜棱柱或斜棱锥,代错就整题作废。

三、“等底等高,柱是锥的 3 倍”——这个 3 从哪来

课本把这句话直接给了出来,没有证。它其实可以看见,值得补上:

把一个三棱柱 ABC-A1B1C1ABC\text-A_1B_1C_1 切成三个三棱锥。 三刀之后得到

① A1-ABC,② A1-BB1C,③ A1-B1C1C\text{①}\ A_1\text-ABC,\qquad \text{②}\ A_1\text-BB_1C,\qquad \text{③}\ A_1\text-B_1C_1C

这三块拼起来正好是整个棱柱,互不重叠。接下来两两比:

  • ① 与 ② 一样大。 把它们都看成以 CC 为顶点:底面分别是 △A1AB\triangle A_1AB 与 △A1B1B\triangle A_1B_1B。 这两个三角形是侧面平行四边形 ABB1A1ABB_1A_1 被对角线 A1BA_1B 切成的两半,面积相等;顶点同为 CC, 到那个平面的距离是同一个数,于是等底等高,体积相等。
  • ② 与 ③ 一样大。 把它们都看成以 A1A_1 为顶点:底面分别是 △BB1C\triangle BB_1C 与 △B1C1C\triangle B_1C_1C, 这两个三角形是侧面平行四边形 BCC1B1BCC_1B_1 被对角线 B1CB_1C 切成的两半,面积也相等;顶点同为 A1A_1。

所以三块体积相同,各占棱柱的 13\dfrac13。而第①块 A1-ABCA_1\text-ABC 的底面就是棱柱的底面 △ABC\triangle ABC(面积 SS)、高就是棱柱的高 hh——它是一个”等底等高”的棱锥。于是

V棱锥=13V棱柱=13ShV_{\text{棱锥}}=\frac13V_{\text{棱柱}}=\frac13Sh

一般的棱柱?把底面多边形三角剖分,整个棱柱就被切成若干个三棱柱,每个都照上面的办法算, 加起来结论不变。

这段推导真正要带走的不是那个 13\dfrac13,是”等底等高的锥体积相同”这件事——它意味着 锥顶在与底面平行的那个平面上怎么挪,体积都不变。做题时看到”顶点在某条线上移动,求体积”, 先想它是不是根本没变。

同一件事还有一种更好画的剖法:把正方体切成三个全等的四棱锥。 取正方体的一个顶点 KK, 不含 KK 的面恰好有三个;以这三个面各作一次底、都以 KK 为顶点,得到三个四棱锥。它们 互不重叠、恰好拼满正方体(用坐标说:一个点落在哪个锥里,由它的三个坐标中哪一个最小决定), 又两两全等(绕体对角线旋转 120∘120^{\circ} 恰好把它们轮换过去)。于是每个都占正方体的 13\dfrac13:

V=13a3=13⋅a2⏟底面积⋅a⏟高V=\frac13a^{3}=\frac13\cdot\underbrace{a^{2}}_{\text{底面积}}\cdot\underbrace{a}_{\text{高}}

这三个锥是”歪”的:顶点在底面某个顶点的正上方,而不是底面中心的正上方,所以它们并不是正四棱锥。 要把结论搬到正四棱锥上,还得再用一次”等底等高体积相同”——那句话的价值正在这里。

四、台体公式怎么来:补成大锥,减掉小锥

课本只说了一句”棱台是由棱锥截成的,可以利用两个棱锥的体积差”。把这句话做完:

设棱台上底面积 S′S'、下底面积 SS、高 hh。把侧棱延长交于一点,补出一个大棱锥;被截掉的那个 小棱锥与大棱锥相似,相似比

k=S′S(面积比是相似比的平方)k=\sqrt{\frac{S'}{S}}\quad(\text{面积比是相似比的平方})

设小棱锥的高为 H′H',则大棱锥的高是 H′+hH'+h,由相似得 H′H′+h=k\dfrac{H'}{H'+h}=k,解出

H′=kh1−k,H′+h=h1−kH'=\frac{kh}{1-k},\qquad H'+h=\frac{h}{1-k}

于是(记 S′=k2SS'=k^2S)

V=13S(H′+h)−13S′H′=13⋅Sh1−k−13⋅k3Sh1−k=13Sh⋅1−k31−k=13Sh(1+k+k2)V=\frac13S(H'+h)-\frac13S'H' =\frac13\cdot\frac{Sh}{1-k}-\frac13\cdot\frac{k^3Sh}{1-k} =\frac13Sh\cdot\frac{1-k^3}{1-k} =\frac13Sh\left(1+k+k^2\right)

把 Sk=S′SSk=\sqrt{S'S}、Sk2=S′Sk^2=S' 代回去,正是

V棱台=13h(S′+S′S+S)V_{\text{棱台}}=\frac13h\left(S'+\sqrt{S'S}+S\right)

记不住台体公式时,这条路本身就是备用解法:补成大锥、减掉小锥,全程只用 13Sh\frac13Sh 一条公式。 考场上比硬背那个带根号的式子更保险。

五、这一节在题目里长什么样

体积题的解法几乎只有三种动作,认出是哪一种,题就做完了一半:

动作一:分块求和。 组合体切成几块标准体,每块套一条公式,加起来。课本例 2 的漏斗 (上面长方体、下面四棱锥,公共面是边长 1 m1\,\mathrm m 的正方形,两部分高都是 0.5 m0.5\,\mathrm m) 就是模板:

V=1×1×0.5⏟长方体+13×1×1×0.5⏟四棱锥=12+16=23≈0.67 (m3)V=\underbrace{1\times1\times0.5}_{\text{长方体}}+\underbrace{\frac13\times1\times1\times0.5}_{\text{四棱锥}} =\frac12+\frac16=\frac23\approx0.67\ (\mathrm{m^3})

注意这里省了一件事:两块共用那个正方形面,锥的底面不必另算。切在哪里?切在”形状发生变化”的 那个面上——组合体题里这一刀的位置从来不用猜,题目的描述已经指明了。

动作二:从别的信息里把 SS 和 hh 挖出来。 公式只有两个输入,难点全在读出这两个数: 从直观图里读、从三视图里读、从展开图里读。这是真题里出现最多的形态(见下一节)。

动作三:等积变换。 用第三节那句”等底等高体积相同”换一个更好算的顶点或底面; 或者反过来用体积去求距离——同一个四面体的体积用两个不同的底面算两遍, 13S1h1=13S2h2\frac13S_1h_1=\frac13S_2h_2,就解出了点到面的距离。这是立体几何里”求距离”的通用后手。

六、易错清单

按失分频率排:

  1. 锥体、台体漏乘 13\dfrac13。 三条公式挨着记时最容易串,柱体偏偏没有这个因子。 组合体题里漏掉它,得到的值往往正好是某个干扰选项。

  2. 把侧棱长或斜高当成高。 高是垂线段。斜棱柱、斜棱锥里这两个数不相等;正棱锥的侧面高 (斜高)与棱锥的高之间差一个勾股定理。

  3. 底面认错。 “底面”由结构决定(棱柱是那两个平行全等面,棱锥是那个与顶点相对的面), 不由摆放姿势决定。一个三棱锥有四个面,把哪个面当底都行——挑最好算的那个当底, 这正是动作三。

  4. 台体公式写漏 S′S\sqrt{S'S},或错写成 13h(S′+S)\frac13h(S'+S)。 用第二节那两个退化方向验一遍。

  5. 组合体的表面积当成体积那样加。 体积可加,表面积不可加:粘合面要减、挖空的内壁要加。 减的时候还有两个连环坑:只减了一倍(忘了两块各少一个面), 以及把被贴的那张面整张减掉(露在接触区外的那一圈白丢了)。第一节末尾把这两个坑摊开讲了。

  6. 单位与精度。 例 2 要求精确到 0.01 m30.01\,\mathrm{m^3},23\frac23 要写成 0.670.67; 长度单位换算后体积差的是三次方(1 m3=106 cm31\,\mathrm m^3=10^6\,\mathrm{cm^3}),换算错就错一个数量级。

  7. 组合体分块后错用总高。 上面那一块的高不是整个组合体的高:主视图的外轮廓高 == 下面那块的高 ++ 上面那块的高,代进锥体公式的必须是锥自己的那一段。 组合体题里命中率最高的干扰项,就是照着”总高”算出来的那个数。

七、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方「考过本节的真题」是构建期从知识图谱派生的完整清单。按下面的顺序做:

  • 2015 年第 2 题(三视图还原”正方体 ++ 正四棱锥”,求体积):这一节最短的一道,拿来热身。 两块共用同一个边长 22 的正方形面,锥的高只有 22——不是主视图那条外轮廓的 44——于是 V=23+13×22×2=323V=2^{3}+\frac13\times2^{2}\times2=\frac{32}{3}。它的干扰项 403\frac{40}{3} 正是把锥高当成 44 算出来的, 是上面易错清单第 7 条的实物。

  • 2021 年第 4 题(三视图还原,底面是等腰梯形的四棱柱,求体积):先做它。全题只用 V=ShV=Sh 一条公式,练的是”把底面的真形状和柱高分别从哪张视图读出来”。

  • 2020 年第 5 题(三视图还原「柱 ++ 锥」,求体积):本节的标准形态。 动作一加上两条体积公式就是全部:切成一柱一锥,各套一条,相加。 它的四个干扰项分别对应”底面积读错”和”漏乘 13\frac13“,正好是上面易错清单第 1、2 条的实物。

  • 2022 年第 5 题(三视图还原组合体:半球 ++ 圆柱 ++ 圆台,求体积):同一个动作的上限版, 三块各套一条公式;不过那三条公式属于下一节(§8.3.2 旋转体),做它之前先把下一节读完。

  • 2014 年第 3 题(三视图还原「三棱柱 ++ 长方体」,求表面积):这份清单里唯一一道问表面积、 不问体积的题,因此也是本节第一节那句定义唯一一次真正兑现的地方。做它的时候把两条记法都走一遍—— 「各块完整表面积相加再减 2×2\times 接触面」得 156−18156-18,「沿外表面逐个面点名」得 48+24+18+9+12+15+1248+24+18+9+12+15+12,两式毫无相似之处却都等于 138138,这是一次免费的验算。 它的三个干扰项分别对应「三棱柱整块忘了算」「被贴的那张面整张减掉」「两端三角形只算一个」—— 把错误选项逐个反推回去,比核对正确答案更能查出自己的漏洞。 (附带一提:这道题的三视图在本站题目页的原卷截图里被裁掉了,攻略里按原卷尺寸重画了一份。)

需要说明的是:「由三视图还原立体」这一环节在现行人教A版教材里已不再要求(三视图这个概念在 现行 5 册中没有出处),这几道真题里与本节绑定的是体积公式与组合体分块求和——那部分依然 是本节要求。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

8.3 简单几何体的表面积与体积

前面我们分别认识了基本立体图形的结构特征和平面表示,本节进一步认识简单几何体的表面积和体积。表面积是几何体表面的面积,它表示几何体表面的大小,体积是几何体所占空间的大小。

8.3.1 棱柱、棱锥、棱台的表面积和体积

1. 棱柱、棱锥、棱台的表面积

多面体的表面积就是围成多面体各个面的面积的和. 棱柱、棱锥、棱台的表面积就是围成它们的各个面的面积的和.

例 1 如图 8.3-1,四面体 P-ABC 的各棱长均为 a,求它的表面积.

分析:因为四面体 P−ABCP - ABC 的四个面是全等的等边三角形,所以四面体的表面积等于其中任何一个面的面积的4倍.

解:因为 △PBC\triangle PBC 是正三角形,其边长为a,所以 S△PBC=34a2S_{\triangle PBC}=\frac{\sqrt{3}}{4}a^{2} . 因此,四面体 P-ABC 的表面积

SP−ABC=4×34a2=3a2.S _ {P - A B C} = 4 \times \frac {\sqrt {3}}{4} a ^ {2} = \sqrt {3} a ^ {2}.

图8.3-1

2. 棱柱、棱锥、棱台的体积

我们以前已经学习了特殊的棱柱——正方体、长方体的体积公式,它们分别是

V正方体=a3V_{\text{正方体}}=a^{3} (a 是正方体的棱长),

V长方体=abc(a, b, c 分别是长方体的长、宽、高).V_{\text{长方体}}=abc\quad(a,\ b,\ c\ \text{分别是长方体的长、宽、高}).

一般地,如果棱柱的底面积是 S,高是 h,那么这个棱柱的体积

V棱柱=Sh.V _ {\text {棱柱}} = S h.

如果一个棱柱和一个棱锥的底面积相等,高也相等,那么,棱柱的体积是棱锥的体积的3倍.因此,一般地,如果棱锥的底面面积为 SS ,高为 hh ,那么该棱锥的体积

● ●

棱柱的高是指两底面之间的距离,即从一底面上任意一点向另一个底面作垂线,这点与垂足(垂线与底面的交点)之间的距离.

• •

棱锥的高是指从顶点向底面作垂线,顶点与垂足之间的距离.

V棱锥=13Sh.V _ {\text {棱锥}} = \frac {1}{3} S h.

由于棱台是由棱锥截成的,因此可以利用两个棱锥的体积差,得到棱台的体积公式

V棱台=13h(S′+S′S+S),V _ {\text {棱台}} = \frac {1}{3} h \left(S ^ {\prime} + \sqrt {S ^ {\prime} S} + S\right),

• •

其中 S′S' ,S 分别为棱台的上、下底面面积,h 为棱台的高.

棱台的高是指两底面之间的距离,即从上底面上任意一点向下底面作垂线,这点与垂足之间的距离.

思考

观察棱柱、棱锥、棱台的体积公式

V棱柱=Sh,V棱锥=13Sh,V棱台=13h(S′+S′S+S),V _ {\text {棱柱}} = S h , \quad V _ {\text {棱锥}} = \frac {1}{3} S h , \quad V _ {\text {棱台}} = \frac {1}{3} h \left(S ^ {\prime} + \sqrt {S ^ {\prime} S} + S\right),

它们之间有什么关系?你能用棱柱、棱锥、棱台的结构特征来解释这种关系吗?

例 2 如图 8.3-2,一个漏斗的上面部分是一个长方体,下面部分是一个四棱锥,两部分的高都是 0.5 m,公共面 ABCD 是边长为 1 m 的正方形,那么这个漏斗的容积是多少立方米(精确到 0.01 m30.01 \, m^{3} )?(计算漏斗的容积时不考虑漏斗的厚度)

图8.3-2

分析:漏斗由两个多面体组成,其容积就是两个多面体的体积和.

解:由题意知

V长方体ABCD−A′B′C′D′=1×1×0.5=0.5(m3),\begin{array}{r l} V _ {\text {长方体} A B C D - A ^ {\prime} B ^ {\prime} C ^ {\prime} D ^ {\prime}} & = 1 \times 1 \times 0. 5 \\ & = 0. 5 (\mathrm{m} ^ {3}), \end{array}

V棱锥P−ABCD=13×1×1×0.5=16(m3).\begin{array}{r l} V _ {\text {棱锥} P - A B C D} & = \frac {1}{3} \times 1 \times 1 \times 0. 5 \\ & = \frac {1}{6} (\mathrm{m} ^ {3}). \end{array}

所以这个漏斗的容积

V=12+16=23≈0.67(m3).\begin{array}{c} V = \frac {1}{2} + \frac {1}{6} = \frac {2}{3} \\ \approx 0. 6 7 (\mathrm{m} ^ {3}). \end{array}