Cube3D 立方体数理

数学 · 初中 / 高中

圆锥的侧面展开后,为什么是一个扇形?

· 12 分钟探究

想象取下一顶纸帽的圆形底面,再沿着从尖顶到底面边缘的接缝剪开。在实验里,慢慢拖动展开滑块,盯住橙色边缘。侧面完全摊平后,这段边缘成了扇形的弧,圆锥的尖顶成了扇形的圆心。

找到展开前后对应的线段

从尖顶沿圆锥侧面直达底面边缘的每一条母线都等长。母线长 ℓ 就是展开后扇形的半径。竖直高 h 到达的是底面圆心。底面半径 r、竖直高 h 和母线组成直角三角形,由勾股定理得 ℓ = √(r² + h²)。

侧面摊开时不拉伸,因此橙色边缘的弧长始终是 2πr。取 r = 3 cm、h = 4 cm,母线长为 5 cm,弧长为 6π cm,约 18.85 cm。半径为 5 cm 的整圆周长为 10π cm,扇形弧占这个周长的 3/5,因此圆心角为 216°。

把圆锥加高,先猜角度和面积

扇形占半径为 ℓ 的整圆的 r/ℓ,所以面积是 (r/ℓ) × πℓ² = πrℓ。初始圆锥的侧面积为 15π cm²,约 47.12 cm²。底面是单独的一片,如果要求总表面积,还要加上 πr²。

将圆锥完全展开,保持 r = 3 cm,把 h 从 4 cm 增至 8 cm。弧长仍是 18.85 cm,圆心角从 216° 缩到约 126.4°,侧面积却增到约 80.53 cm²。相同的弧长在更大的圆上占比更小,而尖顶到弧上每一点的距离变长了。

检查你的理解

把初始半径和高都加倍,设 r = 6 cm、h = 8 cm。先预测圆心角,再判断新的侧面积是原来的几倍。

查看解释

母线长也加倍到 10 cm,r/ℓ 仍是 3/5,因此圆心角还是 216°。公式 πrℓ 的两个长度都翻倍,侧面积变为 60π cm²,是原来 15π cm² 的四倍。

模型说明

模型使用理想直圆锥的柔软侧面,忽略纸张厚度、接缝重叠和材料刚度,不绘制底面圆片。图形会自动缩放,长度和面积请以读数为准。操作实验需要家长高级包或教师权益。