9063. Выведите формулу объёма шарового сегмента с помощью принципа Кавальери.
Ответ.
\pi h^{2}\left(R-\frac{h}{3}\right)
.
Решение. Пусть радиус шара равен
R
, а высота шарового сегмента этого шара равна
h\lt R
.
Рассмотрим полушар радиуса
R
и цилиндр, высота и радиус основания которого равны
R
. Пусть полушар и цилиндр расположены по одну сторону от общей плоскости
\alpha
их оснований. Из цилиндра удалим конус, вершина которого — центр расположенного в плоскости
\alpha
основания цилиндра, а основание конуса совпадает с другим основанием цилиндра. Докажем, что полученное таким образом тело
P
равновелико полушару.
На расстоянии
d\lt R
от плоскости
\alpha
проведём плоскость, параллельную
\alpha
и пересекающую полушар и тело
P
. В сечении с полушаром получим круг радиуса
\sqrt{R^{2}-d^{2}}
. Его площадь равна
\pi(R^{2}-d^{2})
. В сечении тела
P
получим кольцо, внешний диаметр которого равен
R
, а внутренний —
d
. Площадь этого кольца равна
\pi R^{2}-\pi d^{2}=\pi(R^{2}-d^{2})
. Значит, площади обоих сечений равны. По принципу Кавальери полушар и тело
P
равновелики. Что и требовалось доказать.
На расстоянии
R-h\lt R
от плоскости
\alpha
проведём плоскость
\beta
, параллельную
\alpha
. Плоскость
\beta
отсекает от полушара шаровой сегмент с высотой
h
, а от тела
P
— тело
Q
, равновеликое шаровому сегменту и полученное из
P
удалением из цилиндра высотой
h
усечённого конуса, основания которого — круги радиусов
R
и
h
, а высота равна
h
.
Пусть
V
— объём тела
Q
. Тогда
V=\pi R^{2}h-\left(\frac{1}{3}\pi R^{3}-\frac{1}{3}\pi(R-h)^{3}\right)=\pi R^{2}h-\frac{1}{3}\pi(R^{3}-R^{3}+3R^{2}h-3Rh^{2}+h^{3})=

=\pi R^{2}h-\frac{1}{3}\pi(3R^{2}h-3Rh^{2}+h^{3})=\frac{1}{3}\pi(3R^{2}h-3R^{2}h+3Rh^{2}-h^{3})=

=\frac{1}{3}\pi(3Rh^{2}-h^{3})=\frac{1}{3}\pi h^{2}(3R-h)=\pi h^{2}\left(R-\frac{h}{3}\right).

Если
R\lt h\lt2R
, то высота дополнительного сегмента равна
2R-h
, поэтому
V=\frac{4}{3}\pi R^{3}-\pi(2R-h)^{2}\left(R-\frac{2R-h}{3}\right)=\frac{1}{3}\pi(4R^{3}-(2R-h)^{2}(R+h))=

=\frac{1}{3}\pi(4R^{3}-(4R^{2}-4Rh+h^{2})(R+h))=\frac{1}{3}\pi(4R^{3}-4R^{3}+4R^{2}h-Rh^{2}-4R^{2}h+4Rh^{2}-h^{3})=

=\frac{1}{3}\pi(-Rh^{2}+4Rh^{2}-h^{3})=\frac{1}{3}\pi(3Rh^{2}-h^{3})=\pi h^{2}\left(R-\frac{h}{3}\right).