本题导读

本题考查几何体的体积,以及旋转体体积。

📌【题干】

Question

(2013年上海卷(理)) 在 平面上,将两个半圆弧 和 、两条直线 和 围成的封闭图形记为 ,如图中阴影部分.记 绕 轴旋转一周而成的几何体为 ,过 作 的水平截面,所得截面面积为 .试利用祖暅原理、一个平放的圆柱和一个长方体,得出 的体积值为 .

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 理解祖暅原理:
    • 祖暅原理(Cavalieri’s Principle)指出:“幂势既同,则积不容异”。即如果两个几何体在等高处的截面积始终相等,那么它们的体积一定相等。
  2. 拆分截面积公式:
    • 已知水平截面积 。
    • 我们需要将 拆分为两部分,分别对应“平放的圆柱”和“长方体”的截面积。
  3. 构造几何体 A(长方体):
    • 设长方体的高为 (对应 从 到 )。
    • 若其截面积为恒值 ,则其体积 。
  4. 构造几何体 B(平放的圆柱):
    • 剩下的截面积部分为 。
    • 观察圆柱水平平放时的截面:一个半径为 、高为 的圆柱横放,其在高度 处的截面是一个矩形。
    • 矩形的宽为弦长 ,长为圆柱的高 。
    • 对比发现,若 ,则其截面积正好为 。
  5. 计算总体积:
    • 根据祖暅原理, 的体积等于构造出的两个几何体体积之和。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

第一步:分析截面积公式 设几何体 的水平截面面积为 ,其中:

第二步:构造对应的标准几何体

  1. 对于 : 这是一个截面积不随高度 变化的几何体。题目提示为一个长方体。 因为 ,故长方体的高 。 其底面积为 。 体积 。

  2. 对于 : 题目提示为一个“平放的圆柱”。 设圆柱半径为 ,高为 。当圆柱轴线平行于截面平放时,高度 处的截面是矩形。 矩形面积 。 对比 ,可知 ,。 体积 。

第三步:计算总体积 根据祖暅原理,几何体 的体积为:

故填入答案为:。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:祖暅原理的逆向应用——通过解析截面积公式来反向构造已知几何体。

核心方法:“结构拆分法”。本题难点在于联想到平放圆柱的截面形状。

避坑指南:- 注意高度范围: 意味着几何体总高度为 。 - 区分圆柱“立放”与“平放”的截面区别:立放截面是圆(面积恒定),平放截面是矩形(面积随高度呈根号规律变化)。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:定积分求体积 。 本题若使用积分:。(其中积分部分代表半圆面…

结论推广:球体体积公式 在古代中国就是利用祖暅原理,通过对比“牟合方盖”与内切圆柱的截面积推导出来的。

方法推广:对于无法直接通过旋转体公式计算的复杂体积,若给出截面积函数,积分法是通用手段,但构造法更能体现数学直觉。

🔗【关联脉络】

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