什麼是球缺?
球缺(又稱球冠,或只有一個底面的截球)指的是:用一個平面切過球體後,所保留下來的那塊較小的「切片」立體。它由球半徑 R 與球缺高度 h 來決定,h 即切平面到球冠頂點的距離。這是一個通用的幾何工具:相關公式在任何地方、任何長度單位下都完全適用。
使用方法
輸入球半徑 R 與球缺高度 h,再選擇一個長度單位(兩個輸入值與計算結果都會使用同一單位)。限制條件為 0 < h ≤ 2R:當 h = 2R 時,球缺就成為完整的球體;當 h = R 時,恰好是半球。計算機會回傳平面底面半徑 a、球缺體積、曲面(球面)面積、平面底面積,以及總表面積。
公式解析
底面半徑由直角三角形關係 a² = h(2R − h) 得出,因此 a = √(h(2R − h))。體積為 V = (πh²/3)(3R − h)。球缺的曲面面積為 S_曲面 = 2πRh,而平面圓形底面的面積為 S_底面 = πa² = πh(2R − h)。總表面積為兩者相加:S_總 = 2πRh + πh(2R − h)。
實例演算
設 R = 10 cm、h = 4 cm。則 a = √(4 × 16) = √64 = 8 cm。體積為 V = (π × 16/3)(30 − 4) = (416/3)π ≈ 435.63 cm³。曲面面積為 2π × 10 × 4 = 80π ≈ 251.33 cm²,底面積為 π × 64 = 64π ≈ 201.06 cm²,總表面積則為 144π ≈ 452.39 cm²。
常見問題
如果 h 等於 2R 會怎樣?此時球缺即為完整球體:V = (4/3)πR³,曲面面積 = 4πR²,底面半徑為 0。
如果 h 等於 R 會怎樣?會得到半球:V = (2/3)πR³,曲面面積 = 2πR²,且 a = R。
球缺高度可以超過直徑嗎?不行。切平面最多只能切下整個球體,因此 h 必須滿足 0 < h ≤ 2R;超出此範圍的數值將被拒絕。