§ 14. Объемы тел

58. Понятие объема простых тел.

Для простых тел объем — это положительная величина, численное значение которой обладает следующими свойствами:

1. Равные тела имеют равные объемы.

2. Если тело разбито на части, являющиеся простыми телами, то объем этого тела равен сумме объемов его частей.

3. Объем куба, ребро которого равно единице длины, равен единице.

Если куб, о котором идет речь в определении, имеет ребро 1 см, то объем измеряется в кубических сантиметрах; если ребро куба равно , то объем измеряется в кубических

метрах; если ребро куба равно 1 км, то объем измеряется в кубических километрах и т. д.

На рисунке 181 изображено простое тело — четырехугольная пирамида SABCD. Объем этой пирамиды на основании свойства 2 равен сумме объемов пирамид SABC и SADC.

59. Объем параллелепипеда, призмы и пирамиды.

Объем прямоугольного параллелепипеда находится по формуле

где — ребра прямоугольного параллелепипеда. Исходя из этой формулы можно получить формулу для объема куба. Объем куба находят по формуле

где а — ребро куба.

Иногда говорят, что объем прямоугольного параллелепипеда равен произведению его линейных размеров или произведению площади его основания на высоту. Последнее утверждение верно и для любого параллелепипеда.

На рисунке 182 изображен наклонный параллелепипед. Его объем равен , где - площадь основания, а высота наклонного параллелепипеда.

Можно вывести правило нахождения объема любой призмы (в том числе и наклонной).

Объем призмы равен произведению площади ее основания на высоту;

В случае прямой призмы (рис. 183) высота ее совпадает с боковым ребром и объем прямой призмы равен произведению площади основания на боковое ребро.

Объем любой пирамиды находится по формуле

где S — площадь основания, Н — высота пирамиды.

На рисунке 184 изображен правильный тетраэдр SABC с ребром а. Его объем равен

Пример. В наклонном параллелепипеде основание и боковая грань — прямоугольники, площади которых соответственно равны а угол между их плоскостями равен 80°. Одна боковых граней параллелепипеда имеет площадь Найти объем параллелепипеда.

Решение. Пусть в параллелепипеде грани прямоугольники. Тогда ребро AD перпендикулярно грани Дальнейшие вычисления можно выполнить, не находя длин этих отрезков. Имеем Перемножив эти равенства почленно, получим откуда

60. Объем цилиндра и конуса.

Объем любого тела определяется следующим образом. Данное тело нмеет объем V, если существуют содержащие его простые тела и содержащиеся в нем простые тела с объемами, сколь угодно мало отличающимися от V.

Применив это определение к нахождению объемов цилиндра и конуса, можно доказать теоремы.

Объем цилиндра равен произведению площади основания на высоту, т. е.

Если радиус основания цилиндра R, а высота H, то формула его объема такова:

Объем конуса равен одной трети произведения площади основания на высоту» т. е. .

Если радиус основания конуса H, а высота II, то объем его находится по формуле

Объем усеченного конуса можно найти по формуле

где радиусы оснований, Н — высота усеченного конуса. Объем усеченного конуса, изображенного на рисунке 185, находится по формуле

61. Общая формула объемов тел вращения.

Объем шара и его частей. Для вывода формулы объема тела вращения вводят декартовы координаты в пространстве, приняв ось тела за ось Плоскость пересекает поверхность тела по линии, для которой ось х является осью симметрии. Пусть уравнение той части линии, которая расположена над осью х (рис. 186).

При вычислении объема части тела вращения, заключенной между параллельными плоскостями пользуются формулой анализа (см. п. 228).

где — непрерывная на функция.

С помощью этой формулы можно получить формулы объемов конкретных тел вращения, выбрав соответственно систему координат и определив функцию

В частности, формула объема шара радиуса R такова:

Объем шарового сегмента, высота которого Н, а радиус R, находится по формуле

Формула объема шарового сектора:

где R — радиус шара, H — высота соответствующего шарового сегмента.