祖暅是我国南北朝时代的伟大科学家,他在5世纪末提出:“幂势即同,则积不容异”,意思是:夹在两个平行平面之间的两个几何体,被平行于这两个平面的任意一个平面所截,若截面面积都相等,则这两个几何体的体积相等。对于祖暅原理的理解,可以借助下面这个顺口溜:
两个胖子一般高,
平行地面刀刀切。
刀刀切出等面积,
两人必然同样胖。
祖暅原理常用来由已知几何体的体积推导未知几何体的体积,关键是要构造一个参照体。
定义:长方体的长宽高为
,则其体积为
。
若直棱柱的底面面积为
,高为
。取来底面面积底面面积为
,高为
的一个长方体。根据祖暅原理,直棱柱的体积与长方体的体积相等,于是直棱柱的体积
若柱体的底面面积为
,高为
。取来底面面积底面面积为
,高为
的一个直棱柱。根据祖暅原理,二者体积相等,于是柱体的体积
在直三棱柱中,可以分割出三个三棱锥,根据祖暅原理,可得三者体积相等。所以直三棱锥的体积为
任意一个锥体,底面积为
,高为
。取来一个直三棱锥,底面积为
,高为
。根据祖暅原理,二者体积相等。所以椎体体积
由锥体体积及台体的定义,结合比例相关知识计算不难得到台体体积
上
下
上
下
其中图①是一个半径为
的半球体,图②是从圆柱中挖去一个圆锥所得到的几何体.(圆柱和圆锥的底面半径和高均为
)
设截面高度为
,①的截面为圆,其半径
,截面面积
;
②的截面为环形,内圆半径为
,外圆半径为
,截面面积
。
于是根据祖暅原理,两个几何体的体积相等。
几何体②的体积是圆柱体积的
,①的体积等于②的体积,①的体积等于球的体积的一半。于是球的体积是圆柱体积的
。
于是球体体积公式为
祖暅原理,国外则一般称之为卡瓦列利原理,在西方,卡瓦列利定理不断演化,最终孕育微积分的不可分量思想。
张**