用微积分基本定理推导球的体积公式
推导球的体积公式
设球的半径R ,在直角坐标系中画出y =R 的半圆。
将半圆绕x 轴旋转一周,得到的几何体为半径为R 的球。
其体积应满足定积分222200(2)R R V y dx Rx x dx πππ==-?
?球 这里我们不妨设2()2f x Rx x ππ=- 根据微积分基本定理()()()b a Q f x dx F b F a ==-?,'()()F x f x =
可知积分的区间为[0,2]R 。
因为2'()()2F x f x Rx x ππ==-,所以32()3x F x Rx ππ=-
+ (根据求导法则,若2'()f x x =,则31()3f x x =;同理'()f x x =可得21()2
f x x =) 所以3223330(2)84()(2)(0)(2)4333R
R f x dx F R F R R R R R πππππ=-=-
+=-+=? 因此,343V R π=球
球的体积与表面积教案设计(参考)
球的体积和表面积 一、教材分析 本节内容是数学2第一章空间几何体第3节空间几何体的表面积与体积的第2课时球的体积和表面积,是在学习了柱体、锥体、台体等基本几何体的基础上,通过空间度量形式了解另一种基本几何体的结构特征.从知识上讲,球是一种高度对称的基本空间几何体,同时它也是进一步研究空间组合体结构特征的基础;从方法上讲,它为我们提供了另外一种求空间几何体体积和表面积的思想方法;从教材编排上,更重视学生的直观感知和操作确认,为螺旋式上升的学习奠定了基础. 课时分配 本节内容用1课时的时间完成,主要讲解球的体积公式和表面积公式及公式的应用. 二、教学目标 知识与技能 (1)通过对球的体积和面积公式的推导,了解推导过程中所用的基本数学思想方法:“分割——求和——化为准确和”,有利于同学们进一步学习微积分和近代数学知识. (2)能运用球的面积和体积公式灵活解决实际问题. (3)培养学生的空间思维能力和空间想象能力. 过程与方法 通过球的体积和面积公式的推导,从而得到一种推导球体积公式3 3 4 =R V π和面积公式24=R S π的方法,即“分割求近似值,再由近似和转化为球的体积和面积”的方法,体现了极限思想. 情感与价值观 通过学习,使我们对球的体积和面积公式的推导方法有了一定的了解,提高了空间思维能力和空间想象能力,增强了我们探索问题和解决问题的信心. 三、教学重点、难点 重点:引导学生了解推导球的体积和面积公式所运用的基本思想方法.
难点:推导体积和面积公式中空间想象能力的形成,以及与球有关的组合体的表面积和体积的计算. 四、学法和教学用具 学法:学生思考老师提出的问题,通过阅读教材,发挥空间想象能力,了解并初步掌握“分割、求近似值、再由近似值的和转化为球的体积和面积”的解题方法和步骤. 教学用具:投影仪,旨在通过动态图形使得学生对球这一立体图形有一个直观的认识. 五、教学设计 创设情景 ⑴教师提出问题:乌鸦喝水的问题我们都知道, 只有一颗一颗的小圆石头往水瓶里投乌鸦才能喝到 水,那么我们是不是可以用数学方法精确的计算出乌 鸦具体需要投入几颗小圆石头呢?这里就涉及到了 小石子的体积了,假设小石子都是均匀的球体,我们 知道球既没有底面,也无法像在柱体、锥体和台体那样展开成平面图形,那么怎样来求球的表面积与体积呢?引导学生进行思考. ⑵教师设疑:球的大小是与球的半径有关,如何用球半径来表示球的体积和面积?激发学生推导球的体积和面积公式. 探究新知 1.球的体积: 如果用一组等距离的平面去切割球,当距离很小之时得到很多“小圆片”,“小圆片”的体积的体积之和正好是球的体积,由于“小圆片”近似于圆柱形状,所以它的体积也近似于圆柱形状,所以它的体积有也近似于相应的圆柱和体积,因此求球的体积可以按【设计意图】通过大家所熟知的寓言小故事引出教学内容,提高学生学习兴趣.
球体体积公式的推导
球体体积公式的推导 1、如图,设球体的球心为O ,半径为R ,球体体积为V ,用垂直于半径 OA 的 平面将半球分成n 个圆柱体,则每个圆柱体的高是n R ,半径分别为r 1、r 2、r 3、…r n 由相交弦定理得 r 12 = n R ·(2R —n R ) = R 2(n 2—21n ) , r 22 = n R 2·(2R —n R 2) = R 2(n 22?—22 2n ) ,, r 32 = n R 3·(2R —n R 3) = R 2(n 32?—22 2n ), ………………… r n 2 = n nR ·(2R — n nR ) = R 2 ·( n n 2— 22 n n ) ∴V 半球 = 兀·n R 3(n 2—21n ) +兀·n R 3(n 22?—22 2n ) +兀·n R 3(n 32?—22 3n )…… +兀·n R 3( n n 2— 22 n n ) =兀·n R 3(n 2+n 22?+n 32?+……+n n 2 —21n —222n —222n —……—22 n n ) =兀·n R 3 (2×n n +???+++321—22222321n n +???+++)
=兀·n R 3 〔n + 1—61·()()2112n n n n ++〕 =兀R 3 〔n n 1+ —61·()()2112n n n ++〕 =兀R 3 ·2261 34n n n -+ =兀R 3 ·(32+261 21 n n -) 当n 趋近于∞时,n 21 = 0,261 n = 0, 所以V 半球 = 兀R 3(32 + 0 + 0 ) = 32 兀R 3 V 球体体积 = 34 兀R 3 。
球体体积公式的推导
球体体积公式的推导 湖北仙桃二中 刘四云 1、如图,设球体的球心为O ,半径为R ,球体体积为V ,用垂直于半径 OA 的平面将半球分成n 个圆柱体,则每个圆柱体的高是 n R ,半径分别为r 1、r 2、r 3、…r n 由相交弦定理得 r 12 = n R ·(2R — n R ) = R 2( n 2— 2 1n ) , r 22 = n R 2·(2R —n R 2) = R 2 ( n 22?—2 22n ) ,, r 32 = n R 3·(2R — n R 3) = R 2 ( n 32?— 222n ), ………………… r n 2 = n nR ·(2R — n nR ) = R 2 ·( n n 2— 2 2n n ) ∴V 半球 = 兀· n R 3 ( n 2— 2 1n ) +兀· n R 3 ( n 22?— 2 22n ) +兀· n R 3 ( n 32?— 2 23n )…… +兀· n R 3 ( n n 2— 2 2n n ) =兀· n R 3 ( n 2+ n 22?+ n 32?+……+ n n 2 — 2 1n — 2 22n — 2 22n —……— 2 2n n )
=兀· n R 3 (2× n n +???+++321— 2 2 222321n n +???+++) =兀· n R 3 〔n + 1— 61· ()() 2 112n n n n ++〕 =兀R 3 〔n n 1+ —6 1· ()() 2 112n n n ++〕 =兀R 3 · 2 2 61 34n n n -+ =兀R 3 ·(3 2+ 2 6121n n - ) 当n 趋近于∞时,n 21 = 0, 2 61n = 0, 所以V 半球 = 兀R 3( 3 2 + 0 + 0 ) = 3 2兀R 3 V 球体体积 = 3 4兀R 3 。
图解球体表面积和体积正确计算方法及计算公式
图解球体表面积和体积正确计算方法及计算公式 一、球体面积 球体表面是可以由N个带弧形的等腰三角形拼凑而成,见图一、图二、图三。设球体的二分之一水平中心为腰线,在球顶和球底正中各设一个顶点和底点a,然后从顶点到腰线按等分分割成N个带弧形的等腰三角形。根据定义:线的长度不因弯曲而改变,球面可无限分割成N个等腰三角形
如图二、图四、图五所示,所有分割好带弧形的等腰三角形都可以自然平展成标准的等腰三角形,亦可将等腰三角形拼凑成方形。 在理解上述图例球体表面和等腰三角形的关系后,我们可以对球体表面积的计算有比较清晰的判断。即,球体表面可以分割成N个相等的等腰三角形,等腰三角形亦可拼凑成方形,由此推导出球体面积可以用矩形公式计算。 即S = 长×宽,如果我们设球体1/4之一的周长为宽,设球体的周长为长,则球体表面积公式为:S=1/4周长×周长(见图六) 例1:已知球体直径是1个单位,求球体表面积(用上述最新推导公式S=1/4周长×周长) S =(3.14159÷4)×3.14159 = 2.4674㎡ 二、球体体积 设以球心作一条垂线或水平中心线,然后以垂线或水平中心向外将球体按等
分无限分割成N个半圆楔形体。见图七、图八。 球体分割完成后,将半圆楔形体镜像排列成圆柱体,见图九、图十。 从图七、图八、图九、图十看,球体从中心按等分分割成半圆楔形体后可以排列堆砌成圆柱体,根据计算得出定义:与球体同直径同体积的圆柱体的柱高正好是球体周长的1/4。
则球体体积公式为:V =πR平方×周长的1/4 或:V = D(直径的三次方)×0.616849233 例2:已知球体直径是1个单位,求球体体积(用上述最新推导公式) V =πR平方×周长的1/4 = 3.14159×0.25×0.7853975 = 0.616849233 三、公知公式在球体面积、体积计算中出现的错误 1、球体面积 如何检验球体面积计算的正确,最好的方法就是用计算结果制成N个等腰三角形的薄膜反贴球体表面。如薄膜能完整不剩的覆盖球体表面则公式应用和计算正确,如薄膜有剩余或薄膜未能完全覆盖球体表面则公式应用和计算不正确,见图十一。 图十一是用新公式和公知公式分别计算球体直径同是一个单位半球面积的结果对比,新公式计算结果反贴复原后正好能覆盖直径是一个单位半球的球体面积。 计算过程: S =(1.570795×0.7853975)= 1.2336㎡ 公知公式计算结果反贴复原后剩余有0.337㎡的面积。 计算过程: S = 1×3.14159÷2 = 1.570795㎡
7.微积分基本定理练习题
7、微积分基本定理 一、选择题 1.??0 1(x 2 +2x )d x 等于( ) A.13 B.23 C .1 D.43 2.∫2π π(sin x -cos x )d x 等于( ) A .-3 B .-2 C .-1 D .0 3.自由落体的速率v =gt ,则落体从t =0到t =t 0所走的路程为( ) A.13gt 20 B .gt 2 0 C.12gt 20 D.16gt 20 4.曲线y =cos x ? ????0≤x ≤3π2与坐标轴所围图形的面积是( ) A .4 B .2 C.5 2 D .3 5.如图,阴影部分的面积是( ) A .2 3 B .2- 3 C.323 D.35 3 6.??0 3|x 2-4|d x =( ) A.213 B.223 C.233 D.25 3 7.??241 x d x 等于( ) A .-2ln2 B .2ln2 C .-ln2 D .ln2 8.若??1a ? ?? ??2x +1x d x =3+ln2,则a 等于( ) A .6 B .4 C .3 D .2 9.(2010·山东理,7)由曲线y =x 2 ,y =x 3 围成的封闭图形面积为( ) A.112 B.14 C.13 D.7 12 10.设f (x )=??? ?? x 2 0≤x <12-x 1 11.从如图所示的长方形区域内任取一个点M (x ,y ),则点M 取自阴影部分的概率为________. 12.一物体沿直线以v =1+t m/s 的速度运动,该物体运动开始后10s 内所经过的路程是________. 13.求曲线y =sin x 与直线x =-π2,x =5 4π,y =0所围图形的面积为________. 14.若a =??02x 2 d x ,b =??02x 3 d x ,c =??0 2sin x d x ,则a 、b 、c 大小关系是________. 三、解答题 15.求下列定积分: ①??0 2(3x 2+4x 3 )d x ; ② sin 2 x 2 d x . 17.求直线y =2x +3与抛物线y =x 2 所围成的图形的面积. 18.(1)已知f (a )=??0 1(2ax 2 -a 2 x )d x ,求f (a )的最大值; (2)已知f (x )=ax 2 +bx +c (a ≠0),且f (-1)=2,f ′(0)=0,??0 1f (x )d x =-2,求a ,b ,c 的值. DBCDCCDDAC 11. 13 12. 23(1132-1) 13.4-2 2 [解析] 所求面积为 =1+2+? ?? ?? 1-22=4-22. 14.[答案] c 球的体积和表面积附答 案 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】 球的体积和表面积 [学习目标] 1.记准球的表面积和体积公式,会计算球的表面积和体积.2.能解决与球有关的组合体的计算问题. 知识点一球的体积公式与表面积公式 1.球的体积公式V=4 3 πR3(其中R为球的半径). 2.球的表面积公式S=4πR2. 思考球有底面吗球面能展开成平面图形吗 答球没有底面,球的表面不能展开成平面. 知识点二球体的截面的特点 1.球既是中心对称的几何体,又是轴对称的几何体,它的任何截面均为圆,它的三视图也都是圆. 2.利用球半径、截面圆半径、球心到截面的距离构建直角三角形是把空间问题转化为平面问题的主要途径. 题型一球的表面积和体积 例1 (1)已知球的表面积为64π,求它的体积; (2)已知球的体积为500 3 π,求它的表面积. 解(1)设球的半径为R,则4πR2=64π,解得R=4, 所以球的体积V=4 3 πR3= 4 3 π·43= 256 3 π. (2)设球的半径为R,则4 3πR3= 500 3 π,解得R=5, 所以球的表面积S=4πR2=4π×52=100π. 跟踪训练1 一个球的表面积是16π,则它的体积是( ) π π 答案D 解析设球的半径为R,则由题意可知4πR2=16π,故R=2.所以球的 半径为2,体积V=4 3 πR3= 32 3 π. 题型二球的截面问题 例2 平面α截球O的球面所得圆的半径为1.球心O到平面α的距离为2,则此球的体积为( ) π π π π 答案B 解析如图,设截面圆的圆心为O′, M为截面圆上任一点, 则OO′=2,O′M=1. 牛顿—莱布尼茨公式 ● 前言 此证明主要是献给那些无论如何,竭斯底里都想知道自已手上这条无与伦比公式背后的秘密的高中生。 公式的证明首先是从定积分的基本性质和相关定理的证明开始,然后给出积分上限函数的定义,最后总揽全局,得出结论。证明过程会尽可能地保持严密,也许你会不太习惯,会觉得多佘,不过在一些条件上如函数f(x),我们是默认可积的。 所有证明过程都是为后续的证明做铺掂的,都是从最低层最简单开始的,所以你绝对,注意,请注意,你是绝对能看懂的,对于寻求真理的人,你值得看懂! (Ps :如果你不太有耐心,我建议你别看了,因为这只会让你吐出垃圾两个字) ● 定积分性质的证明 首先给出定积分的定义: 设函数f(x)在区间[a,b]上连续,我们在区间[a,b]上插入n-1个点分成n 个区间 [a,x 1],[x 1,x 2]…[x n ,x n-1],其中x 0=a ,x n =b ,第i 个小区间?x i = x i -x i-1(i=1,2…n)。 由它的几何意义,我们是用无数个小矩形的面积相加去模拟它的面积,因此任一个小矩形的面积可表示为?S i =f(εi ) ?x i ,为此定积分可以归结为一个和式的极限 即: 性质1:证明?b a c dx = C(b-a),其中C 为常数. 几何上这就是矩形的面积 性质2:F(x)和G(x)为函数z(x)的两个原函数,证明F(x)=G(x)+C,C 为常数. 设K(x)=F(x)-G(x) 定义域为K 1021110()lim ()lim (...)lim ()()n b i i n n a n n i n n f x dx f x c x x x x x x c x x c b a ε-→∞→∞=→∞=?=-+-++-=-=-∑?0()()() ()()()()()0 ()()()lim 0x F x G x z x K x F x G x z x z x K x x K x K x x ?→''=='''∴=-=-=+?-'∴==?Q 1()lim ()n b a n i i i f x dx f x ε→∞==?∑ ?球的体积和表面积附答案
牛顿-莱布尼茨公式的详细证明
定积分及微积分基本定理练习题及答案