立体几何与空间模型

切割与拼接中的表面积变化

数界面,再乘二:新露出就加,贴合后就减。

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01

切了两次,究竟多了哪些面?

一个长8厘米、宽6厘米、高4厘米的实心长方体,沿长的中点作垂直于长的平面切割,再沿宽的中点把两块都切开。把得到的4块全部分离,它们的表面积之和比原来增加多少?

第1步 / 共4步:原表面积

长8 × 宽6 × 高4 厘米S0 = 2×(48+32+24) = 208 cm²面向观察者的三面着色;背面仍须计入。示意图不作长度测量。

当前:8×6×4厘米长方体切割

先算原表面积,分清长、宽、高。

208 平方厘米

原表面积2×(8×6+8×4+6×4)=208。点击下一步,逐次记录新露出的面。

金色表示新切面或接触区域;相对的另一张面可能被遮住,仍须计数。画面是透视示意,不据此量长度。

02

为什么每个界面要数两次?

学习目标:用界面配对解释单刀、多刀、错位拼接与反推,不把刀数、碎块数、可见面数混为一谈。必要前置是长方体表面积、长方形面积、面积单位及简单方程。本页是S班能力深化;A/S为项目教学深度编排,不代表官方课纲,也不限定为六上必学。

先说明我们算的是什么

长、宽、高为 a、b、c 的长方体有3对相同的长方形面,所以 S₀=2(ab+ac+bc)。表面积计算所有外露面,包括背面、底面。切开后“总表面积”指把各块分离后逐块求表面积再相加,不是把切后仍贴紧的一堆当成一整块。

切割:原来的内部,变成两边的外面

S后 = S前+2A

用一个平面切开实心体、把两侧分离。设该次所有截面片的面积之和为 A。截面每个小区域在两侧各出现一次,新增2A。原来外表面仅被分割,面积总和不变,所以公式成立。

拼接:原来各自外露,贴合后都藏起来

S后 = ΣS各块−2C

C 是每个两块之间的实际接触区域面积之和,每个界面只记一次。贴合区域在两块表面积中原来各算一次,拼后都不外露,因此减2C。没接触的区域不能扣除。

多刀可以逐次记账

设先后切开的截面面积和为 A₁、A₂、…,每次切开并分离后新增2Aᵢ。累加得到 ΔS=2(A₁+A₂+…)。交叉切面的交线只有长度,没有面积,不用再扣一块“重合面”。后切的一整片截面可能被之前的切割分成多片;片数改变,面积和不变。

沿长、宽、高分别分成 m、n、p 段:
ΔS=2[(m−1)bc+(n−1)ac+(p−1)ab]

这里 a、b、c 是原长方体长宽高,m、n、p 是正整数。切面分别垂直于三条棱并贯穿原长方体,全部小块最后分离。每一方向有“段数−1”个完整界面。不要求每段等长;只要每个平面贯穿对应截面,面积就相同。若仅局部切开,需按实际截面片面积重新相加。

03

完整例题:正向计数与反推

例题一 · 多方向切割(自拟)

两轮切割,4块的总表面积

条件与上方切割演示一致:8×6×4厘米实心长方体,沿长中点、宽中点各作一个贯穿全体的平面切割,得到4块并全部分离。求总表面积及增加量。

  1. 原表面积 S₀=2×(8×6+8×4+6×4)=208平方厘米。
  2. 垂直于长的切面面积是6×4=24,新增两张面,增加48平方厘米。
  3. 垂直于宽的切面在两块上各有4×4=16平方厘米,两片合计32。两侧各一套,增加64平方厘米。
  4. 总增量48+64=112平方厘米;切后表面积208+112=320平方厘米。

独立核查:每块是4×3×4,表面积2×(12+16+12)=80;4块合计4×80=320。这里第三条中的“两片”是同一切面的一侧分片,还要计算两侧;不要看到两片就认为已经乘过2。

例题二 · 部分面拼接(自拟)

错高1厘米,为什么不能减去整张侧面?

两个棱长2厘米的正方体,棱互相平行。第一块底部高度为0,第二块底部高度为1厘米;它们在水平方向相邻,沿一对侧面贴合,另一水平方向完全对齐。求拼成整体后的表面积,计所有未贴合面。

  1. 各块表面积6×2²=24,两块相加48平方厘米。
  2. 高度区间分别为0到2、1到3,共同高度只有1到2,长1厘米。另一方向重合长2厘米,因此实际接触面积 C=2×1=2平方厘米。
  3. 两块原先各有2平方厘米被贴合遮住,合计减4,S=48−2×2=44平方厘米。

第二块抬高后形成的台阶表面仍外露,不能删除。若完全对齐贴合,C=4,表面积为40;若仅沿边相碰,C=0,表面积仍48。相同块数、相同体积,不决定同一个表面积。

例题三 · S班反推(自拟)

增加100平方厘米,能反推棱长吗?

一个实心正方体沿同一方向,用两个互相平行、都贯穿全体的平面切成三层,把三层全部分离,表面积增加100平方厘米。求原正方体的棱长、原表面积及切后的总表面积。

  1. 设棱长 a 厘米。两刀各形成两张面积 a² 的正方形面,共4张,因此4a²=100。
  2. a²=25。a是正长度,5×5=25,所以 a=5厘米,不能取负数。
  3. 原表面积6×25=150平方厘米,切后150+100=250平方厘米。

三层不必等厚:截面仍为5×5。反推依赖已知切法;若只说“切两刀”,两刀倾斜或只切其中一块,截面可能不同,不能直接写4a²。

04

迁移练习

以下均为自拟题。先画接触或截面,再列增减账。

练习一 · 段数和刀数分开

9×6×3厘米的实心长方体,沿长方向等分3段、宽方向等分2段,高方向不切,得到6个小块并全部分离。求增加的表面积与总表面积。

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沿长分3段,需要2个垂直于长的完整切面,每个6×3=18;沿宽分2段,需要1个垂直于宽的切面,面积9×3=27。截面面积和2×18+27=63,增量2×63=126平方厘米。

原表面积2×(54+27+18)=198,总表面积198+126=324平方厘米。独立核对:每块为3×3×3,6块表面积合计6×6×9=324。6块不是6个界面,不能用6乘任意一个截面面积。

练习二 · 由表面积反推错位

两个棱长3厘米的正方体,棱平行,沿侧面贴合;一水平方向完全对齐,只在高度方向错开 h 厘米,且0≤h<3。拼后表面积为96平方厘米。求接触面积与 h。

查看完整解析

两块原表面积之和2×6×3²=108。减少108−96=12,是两边接触面的总面积,所以单个界面面积 C=12÷2=6平方厘米。

接触宽3,重合高度3−h,故3(3−h)=6。先得重合高度2,再得 h=3−2=1厘米,满足0≤h<3。核对:108−2×(3×2)=96。若未给出“仅高度错开、另一方向完全对齐”,只知接触面积6无法唯一确定错位方式。

边界反例 · 刀数够不够?

同一个长方体8×6×4,第一种切法垂直于长切一刀,第二种垂直于高切一刀,都分离。两次各只切一刀,增加量相同吗?

查看判定依据

不相同。第一种截面6×4=24,增加48;第二种截面8×6=48,增加96。必须知道截面面积与是否全部分离。“每刀增加两面”只是数量关系,不代表每张面面积相同。

05

易错与回顾

解题顺序:确定要计的表面 → 标出每个截面或接触区域 → 只计一次界面面积 → 乘2做增减 → 用小块表面积相加独立核查。体积不变只能证明材料守恒,不能证明表面积不变。

06

逐章回看

文字稿默认展开。点击章标题可定位视频,时间依据实测旁白。

长八、宽六、高四厘米的长方体,原表面积是二百零八平方厘米。

垂直长切一刀,截面是六乘四。拉开后,两边各露出一张新面。所以表面积增加两倍二十四,也就是四十八平方厘米。原有外表面没有减少。

再沿宽的中点切开两块。两块的截面合起来,仍是八乘四。这一轮增加两倍三十二。全部分离后,总表面积是二百零八加一百一十二,得三百二十。

拼接时反过来想。两个棱长二厘米的正方体,原来合计四十八平方厘米。把一块抬高一厘米,沿侧面贴合。接触区域是二乘一,两边各少这一块。所以拼接后表面积是四十八减四,得四十四。只减一张面,会多算。

反推也要先数重数。正方体沿同一方向切两刀,分成三层,再全部拉开。若表面积增加一百平方厘米,就有四个新正方形,每个面积二十五,棱长五厘米。关键不是碎块数,而是新露出或被遮住的界面面积。图形示意不代替配对计数。