求积法|立体表面积及体积

文章摘要

本文涵盖 立体表面积及体积 的核心技巧—— 这是 DSE 卷一甲部(2)及乙部经常出现的课题,占 4–6 分。 你将学习常见立体(棱柱、圆柱、圆锥、球体、棱锥)的 体积 及 表面积 公式、 相似立体 的边长、面积及体积比例,以及如何解 组合立体 的问题。文章包括逐步例题、DSE 应试技巧、 练习题。这些是 必备技能, 在 DSE 试卷中经常出现。


学习目标

完成本文后,你应能够:

  • 背诵 及 应用 棱柱、圆柱、圆锥、球体及棱锥的 体积 公式。
  • 背诵 及 应用 以上立体的 总表面积 及 侧面积 公式。
  • 应用 相似立体的 边长、面积及体积比例。
  • 解 涉及 组合立体(两个或以上立体的组合)的问题。
  • 判断 尺寸改变对体积及表面积的影响。
  • 解 DSE 风格的三维度量问题。

1. 引言:

三维度量 每年 都在 DSE 卷一甲部(2)及乙部出现。题目可能要求你:

  • 计算给定立体的体积或表面积
  • 在已知体积或表面积下求未知尺寸
  • 应用相似立体比例求缺失量度
  • 解组合立体问题(例如圆柱上方加半球体)

这些都是必备技能,亦会在容量、包装及建筑等现实情境中出现。

DSE 应试提示

三维度量的题目通常以 短答题 形式出现在甲部(2),每题 3–4 分;在乙部则以 较长题目 形式出现,每题 5–6 分。

2. 体积及表面积公式

棱柱

  • 体积 = 底面积 × 高
  • 总表面积 = 2 × 底面积 + 底周长 × 高(侧面积)

圆柱

  • 体积 = \( \pi r^2 h \)
  • 侧面积 = \( 2\pi r h \)
  • 总表面积 = \( 2\pi r^2 + 2\pi r h \)

圆锥

  • 体积 = \( \frac{1}{3} \pi r^2 h \)
  • 斜高 \( l = \sqrt{r^2 + h^2} \)
  • 侧面积 = \( \pi r l \)
  • 总表面积 = \( \pi r^2 + \pi r l \)

球体

  • 体积 = \( \frac{4}{3} \pi r^3 \)
  • 表面积 = \( 4\pi r^2 \)

棱锥

  • 体积 = \( \frac{1}{3} \times \text{底面积} \times \text{高} \)
  • 表面积 = 所有面的面积之和(底面 + 三角形侧面)
DSE 记忆口诀

圆锥及棱锥的体积是对应棱柱/圆柱的 三分之一。记住:\( V_{\text{圆锥}} = \frac{1}{3} V_{\text{圆柱}} \)。

3. 相似立体

若两个立体 相似,其对应边长成比例。 设线性比例因子为 \( k \)(对应边长之比),则:

  • 面积比 = \( k^2 \)
  • 体积比 = \( k^3 \)

这表示若尺寸加倍(比例因子为 2),表面积变为 4 倍,体积变为 8 倍。

例题

题目:两个相似圆柱的高分别为 5 cm 及 15 cm。若较小圆柱的体积为 200 cm³,求较大圆柱的体积。

题解

比例因子 \( k = \frac{15}{5} = 3 \)。

体积比 = \( k^3 = 27 \)。

较大体积 = \( 200 \times 27 = 5400 \) cm³。

答案:5400 cm³。

4. 组合立体

组合立体 由两个或以上简单立体组成。 求总体积或总表面积的方法:

  1. 识别 各个立体(例如圆柱 + 半球体)。
  2. 计算 每个部分的体积或表面积。
  3. 对于 体积:将体积相加。
  4. 对于 表面积:只计暴露在外的面(立体相接处的内部面不计)。

例题

题目:一个立体由半径 4 cm、高 6 cm 的圆柱,顶部加上相同半径的半球体组成。求总体积。

题解

圆柱体积 = \( \pi (4)^2 (6) = 96\pi \) cm³。

半球体体积 = \( \frac{1}{2} \times \frac{4}{3}\pi (4)^3 = \frac{2}{3}\pi (64) = \frac{128\pi}{3} \) cm³。

总体积 = \( 96\pi + \frac{128\pi}{3} = \frac{288\pi + 128\pi}{3} = \frac{416\pi}{3} \) cm³。

答案:\( \frac{416\pi}{3} \) cm³。

5. 例题

例题 1:圆锥体积

题目:圆锥的半径为 6 cm,高为 8 cm。求体积。

题解

\( V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi (6)^2 (8) = \frac{1}{3} \pi \times 36 \times 8 = 96\pi \) cm³。

答案:\( 96\pi \) cm³。

例题 2:球体表面积

题目:求半径为 7 cm 的球体表面积。

题解

\( A = 4\pi r^2 = 4\pi (7)^2 = 4\pi \times 49 = 196\pi \) cm²。

答案:\( 196\pi \) cm²。

例题 3:相似立体

题目:两个相似棱锥的体积分别为 54 cm³ 及 432 cm³。求对应高的比。

题解

体积比 = \( \frac{432}{54} = 8 \)。

由于体积比 = \( k^3 \),\( k = \sqrt[3]{8} = 2 \)。

所以高的比为 2:1。

答案:2:1。

6. DSE 风格练习题

甲部(2)及乙部风格

题目 1 MC
半径 3 cm、高 10 cm 的圆柱体积为:
A. \( 30\pi \)     B. \( 60\pi \)     C. \( 90\pi \)     D. \( 120\pi \)

题目 2 MC
球体的表面积为 \( 144\pi \) cm²。求半径。
A. \( 4 \) cm     B. \( 6 \) cm     C. \( 8 \) cm     D. \( 12 \) cm

题目 3 短答
圆锥的半径为 5 cm,斜高为 13 cm。求总表面积。

题目 4 短答
两个相似圆柱的高分别为 4 cm 及 10 cm。若较小圆柱的体积为 80 cm³,求较大圆柱的体积。

题目 5 MC
一个立体由相同半径的半球体置于圆柱上方组成。若半径为 3 cm,圆柱高为 5 cm,总体积为:
A. \( 45\pi + 18\pi \)     B. \( 45\pi + 9\pi \)     C. \( 45\pi + 12\pi \)     D. \( 45\pi + 6\pi \)

7. 题解

题目 1: C. \( 90\pi \)
\( V = \pi r^2 h = \pi (3)^2 (10) = 90\pi \)。
题目 2: B. \( 6 \) cm
\( 4\pi r^2 = 144\pi \) → \( r^2 = 36 \) → \( r = 6 \)。
题目 3: \( 90\pi \) cm²
\( r = 5 \),\( l = 13 \)。\( A = \pi r^2 + \pi r l = \pi (25) + \pi (5)(13) = 25\pi + 65\pi = 90\pi \)。
题目 4: \( 1250 \) cm³
比例因子 \( k = \frac{10}{4} = 2.5 \)。体积比 = \( k^3 = 15.625 \)。体积 = \( 80 \times 15.625 = 1250 \)。
题目 5: A. \( 45\pi + 18\pi \)
圆柱体积 = \( \pi (3)^2 (5) = 45\pi \)。半球体体积 = \( \frac{1}{2} \times \frac{4}{3}\pi (3)^3 = \frac{2}{3}\pi (27) = 18\pi \)。总体积 = \( 45\pi + 18\pi \)。

9. 基础练习

点击下列链接查看基础练习
 基础练习: 求积法|立体表面积及体积

重点总结

你必须记住的重点
  • 体积公式:棱柱/圆柱(\( \text{底面积} \times \text{高} \))、圆锥/棱锥(\( \frac{1}{3} \text{底面积} \times \text{高} \))、球体(\( \frac{4}{3}\pi r^3 \))。
  • 表面积:所有面的面积之和。圆柱为 \( 2\pi r^2 + 2\pi r h \);圆锥为 \( \pi r^2 + \pi r l \);球体为 \( 4\pi r^2 \)。
  • 相似立体:面积比 = \( k^2 \),体积比 = \( k^3 \)。
  • 组合立体:拆分成各部分,体积相加,表面积只计暴露面。
  • 这课题保证在 DSE 卷一甲部(2)及乙部有 4–6 分——掌握这些技巧!

复习清单

  • 棱柱/圆柱体积:底面积 × 高
  • 圆锥/棱锥体积:\( \frac{1}{3} \) 底面积 × 高
  • 球体体积:\( \frac{4}{3}\pi r^3 \)
  • 表面积:所有面的面积之和
  • 圆锥斜高:\( l = \sqrt{r^2 + h^2} \)
  • 相似立体:面积比 = \( k^2 \),体积比 = \( k^3 \)
  • 组合立体:相加/相减各部分
  • 检查单位(cm³、m³ 等)