求積法|立體表面積及體積

文章摘要

本文涵蓋 立體表面積及體積 的核心技巧—— 這是 DSE 卷一甲部(2)及乙部經常出現的課題,佔 4–6 分。 你將學習常見立體(棱柱、圓柱、圓錐、球體、棱錐)的 體積 及 表面積 公式、 相似立體 的邊長、面積及體積比例,以及如何解 組合立體 的問題。文章包括逐步例題、DSE 應試技巧、 練習題。這些是 必備技能, 在 DSE 試卷中經常出現。


學習目標

完成本文後,你應能夠:

  • 背誦應用 棱柱、圓柱、圓錐、球體及棱錐的 體積 公式。
  • 背誦應用 以上立體的 總表面積側面積 公式。
  • 應用 相似立體的 邊長、面積及體積比例
  • 涉及 組合立體(兩個或以上立體的組合)的問題。
  • 判斷 尺寸改變對體積及表面積的影響。
  • DSE 風格的三維度量問題。

1. 引言:

三維度量 每年 都在 DSE 卷一甲部(2)及乙部出現。題目可能要求你:

  • 計算給定立體的體積或表面積
  • 在已知體積或表面積下求未知尺寸
  • 應用相似立體比例求缺失量度
  • 解組合立體問題(例如圓柱上方加半球體)

這些都是必備技能,亦會在容量、包裝及建築等現實情境中出現。

DSE 應試提示

三維度量的題目通常以 短答題 形式出現在甲部(2),每題 3–4 分;在乙部則以 較長題目 形式出現,每題 5–6 分。

2. 體積及表面積公式

棱柱

  • 體積 = 底面積 × 高
  • 總表面積 = 2 × 底面積 + 底周界 × 高(側面積)

圓柱

  • 體積 = \( \pi r^2 h \)
  • 側面積 = \( 2\pi r h \)
  • 總表面積 = \( 2\pi r^2 + 2\pi r h \)

圓錐

  • 體積 = \( \frac{1}{3} \pi r^2 h \)
  • 斜高 \( l = \sqrt{r^2 + h^2} \)
  • 側面積 = \( \pi r l \)
  • 總表面積 = \( \pi r^2 + \pi r l \)

球體

  • 體積 = \( \frac{4}{3} \pi r^3 \)
  • 表面積 = \( 4\pi r^2 \)

棱錐

  • 體積 = \( \frac{1}{3} \times \text{底面積} \times \text{高} \)
  • 表面積 = 所有面的面積之和(底面 + 三角形側面)
DSE 記憶口訣

圓錐及棱錐的體積是對應棱柱/圓柱的 三分之一。記住:\( V_{\text{圓錐}} = \frac{1}{3} V_{\text{圓柱}} \)

3. 相似立體

若兩個立體 相似,其對應邊長成比例。 設線性比例因子為 \( k \)(對應邊長之比),則:

  • 面積比 = \( k^2 \)
  • 體積比 = \( k^3 \)

這表示若尺寸加倍(比例因子為 2),表面積變為 4 倍,體積變為 8 倍。

例題

題目:兩個相似圓柱的高分別為 5 cm 及 15 cm。若較小圓柱的體積為 200 cm³,求較大圓柱的體積。

題解

比例因子 \( k = \frac{15}{5} = 3 \)

體積比 = \( k^3 = 27 \)

較大體積 = \( 200 \times 27 = 5400 \) cm³。

答案:5400 cm³。

4. 組合立體

組合立體 由兩個或以上簡單立體組成。 求總體積或總表面積的方法:

  1. 識別 各個立體(例如圓柱 + 半球體)。
  2. 計算 每個部分的體積或表面積。
  3. 對於 體積:將體積相加。
  4. 對於 表面積:只計暴露在外的面(立體相接處的內部面不計)。

例題

題目:一個立體由半徑 4 cm、高 6 cm 的圓柱,頂部加上相同半徑的半球體組成。求總體積。

題解

圓柱體積 = \( \pi (4)^2 (6) = 96\pi \) cm³。

半球體體積 = \( \frac{1}{2} \times \frac{4}{3}\pi (4)^3 = \frac{2}{3}\pi (64) = \frac{128\pi}{3} \) cm³。

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

答案:\( \frac{416\pi}{3} \) cm³。

5. 例題

例題 1:圓錐體積

題目:圓錐的半徑為 6 cm,高為 8 cm。求體積。

題解

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

答案:\( 96\pi \) cm³。

例題 2:球體表面積

題目:求半徑為 7 cm 的球體表面積。

題解

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

答案:\( 196\pi \) cm²。

例題 3:相似立體

題目:兩個相似棱錐的體積分別為 54 cm³ 及 432 cm³。求對應高的比。

題解

體積比 = \( \frac{432}{54} = 8 \)

由於體積比 = \( k^3 \)\( k = \sqrt[3]{8} = 2 \)

所以高的比為 2:1。

答案:2:1。

6. DSE 風格練習題

甲部(2)及乙部風格

題目 1 MC
半徑 3 cm、高 10 cm 的圓柱體積為:
A. \( 30\pi \)     B. \( 60\pi \)     C. \( 90\pi \)     D. \( 120\pi \)

題目 2 MC
球體的表面積為 \( 144\pi \) cm²。求半徑。
A. \( 4 \) cm     B. \( 6 \) cm     C. \( 8 \) cm     D. \( 12 \) cm

題目 3 短答
圓錐的半徑為 5 cm,斜高為 13 cm。求總表面積。

題目 4 短答
兩個相似圓柱的高分別為 4 cm 及 10 cm。若較小圓柱的體積為 80 cm³,求較大圓柱的體積。

題目 5 MC
一個立體由相同半徑的半球體置於圓柱上方組成。若半徑為 3 cm,圓柱高為 5 cm,總體積為:
A. \( 45\pi + 18\pi \)     B. \( 45\pi + 9\pi \)     C. \( 45\pi + 12\pi \)     D. \( 45\pi + 6\pi \)

7. 題解

題目 1: C. \( 90\pi \)
\( V = \pi r^2 h = \pi (3)^2 (10) = 90\pi \)
題目 2: B. \( 6 \) cm
\( 4\pi r^2 = 144\pi \)\( r^2 = 36 \)\( r = 6 \)
題目 3: \( 90\pi \) cm²
\( r = 5 \)\( l = 13 \)\( A = \pi r^2 + \pi r l = \pi (25) + \pi (5)(13) = 25\pi + 65\pi = 90\pi \)
題目 4: \( 1250 \) cm³
比例因子 \( k = \frac{10}{4} = 2.5 \)。體積比 = \( k^3 = 15.625 \)。體積 = \( 80 \times 15.625 = 1250 \)
題目 5: A. \( 45\pi + 18\pi \)
圓柱體積 = \( \pi (3)^2 (5) = 45\pi \)。半球體體積 = \( \frac{1}{2} \times \frac{4}{3}\pi (3)^3 = \frac{2}{3}\pi (27) = 18\pi \)。總體積 = \( 45\pi + 18\pi \)

基礎練習

點擊下列鏈接查閱:
 練習編 - 求積法|立體表面積及體積

重點總結

你必須記住的重點
  • 體積公式:棱柱/圓柱(\( \text{底面積} \times \text{高} \))、圓錐/棱錐(\( \frac{1}{3} \text{底面積} \times \text{高} \))、球體(\( \frac{4}{3}\pi r^3 \))。
  • 表面積:所有面的面積之和。圓柱為 \( 2\pi r^2 + 2\pi r h \);圓錐為 \( \pi r^2 + \pi r l \);球體為 \( 4\pi r^2 \)
  • 相似立體:面積比 = \( k^2 \),體積比 = \( k^3 \)
  • 組合立體:拆分成各部分,體積相加,表面積只計暴露面。
  • 這課題保證在 DSE 卷一甲部(2)及乙部有 4–6 分——掌握這些技巧!

複習清單

  • 棱柱/圓柱體積:底面積 × 高
  • 圓錐/棱錐體積:\( \frac{1}{3} \) 底面積 × 高
  • 球體體積:\( \frac{4}{3}\pi r^3 \)
  • 表面積:所有面的面積之和
  • 圓錐斜高:\( l = \sqrt{r^2 + h^2} \)
  • 相似立體:面積比 = \( k^2 \),體積比 = \( k^3 \)
  • 組合立體:相加/相減各部分
  • 檢查單位(cm³、m³ 等)