题目内容

【题目】魏晋时期数学家刘徽在为《九章算术》作注时,提出利用“牟合方盖”解决球体体积,“牟合方盖”由完全相同的四个曲面构成,相对的两个曲面在同一圆柱的侧面上,正视图和侧视图都是圆,每一个水平截面都是正方形,好似两个扣合(牟合)在一起的方形伞(方盖).二百多年后,南北朝时期数学家祖暅在前人研究的基础上提出了《祖暅原理》:“幂势既同,则积不容异”.意思是:两等高立方体,若在每一等高处的截面积都相等,则两立方体体积相等.如图有一牟合方盖,其正视图与侧视图都是半径为的圆,正边形是为体现其直观性所作的辅助线,根据祖暅原理,该牟合方盖体积为__________

【答案】

【解析】

取立方体与内切的牟合方盖的来做研究,由祖暅原理可知,与立方体同底等高正四棱锥体积与方盖差(立方体之内牟合方盖之外部)的体积相等,即可求出牟合方盖体积.

取立方体与内切的牟合方盖的来做研究,设在高为处的一个平面截两个立体,截面如图阴影部分所示,

与该立方体等底等高的四棱锥的截面是正方形,其面积是

方盖差(立方体之内牟合方盖之外部)上的截面是拐尺形,其面积计算如下:

中,

所以图中阴影的拐形面积,显然等于正四棱锥截面面积,

从而由祖暅原理可知,正四棱锥体积与方盖差的体积相等,

所以方盖差的体积为

从而可得牟合方盖体积为.

故答案为:

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