請輸入膠囊形的半徑和圓柱部分的高。會顯示體積(V = πr²h + 4/3πr³)、圓柱部分與球部分的明細,以及 cm³、公升、m³ 的單位換算。
目錄
這個頁面可以做什麼
- 只要輸入半徑和圓柱部分的高,就能當場求出膠囊形(圓柱兩端各接一個半球的立體)的體積(\(V = \pi r^2 h + \dfrac{4}{3}\pi r^3\))
- 分別顯示圓柱部分的體積,以及兩端半球合起來的球的體積,可以直接確認計算的原理
- 計算結果也會用 3D 圖形顯示,可以用滑鼠或手指滑動旋轉,確認形狀
- 同時顯示體積的單位換算(用 cm 輸入時換成公升、m³,用 m 輸入時換成 cm³)
- 淺顯易懂的公式解說,以及可直接複製到 Excel、Google 試算表、Python 的公式,也都整理在這個頁面
這個計算有什麼用?
藥品膠囊就是這種形狀的代表。把半徑 0.4 cm、圓柱部分的高 1.4 cm 的膠囊看作這個形狀,容積是 \(\pi \times 0.4^2 \times 1.4 + \dfrac{4}{3}\pi \times 0.4^3 \approx 0.97\,\mathrm{cm^3}\),也就是約 1 mL。
實際的膠囊是由兩個零件(膠囊帽和膠囊體)套在一起,所以只是概算;不過「這個大小的膠囊能裝多少藥」的估算基礎,正是這個公式。
儲存液化石油氣等的壓力儲槽,常用圓柱兩端接上半球的膠囊形(臥式)。有角的形狀壓力會集中在角上、容易損壞,圓滑的形狀則能讓壓力平均分散。
半徑 1 m、圓柱部分長 4 m 的儲槽,容量是 \(\pi \times 1^2 \times 4 + \dfrac{4}{3}\pi \times 1^3 \approx 16.8\,\mathrm{m^3}\)(約 16800 L)。不論設計或檢查,由儲槽尺寸求出能儲存的量,都要用到這個公式。
運送燃料等的油罐車,罐體也是圓柱兩端接上圓形封頭、接近膠囊的形狀。把兩端看作半球,以半徑 1.1 m、圓柱部分 6 m 計算,得到 \(\pi \times 1.1^2 \times 6 + \dfrac{4}{3}\pi \times 1.1^3 \approx 28.4\,\mathrm{m^3}\),也就是約 28400 L。
實際的封頭多半比半球淺,正確的容量要看設計圖,但這個值和大型油罐車的載量在同一個數量級,是很好的概算。
魚肉香腸、熱狗這類「兩端圓圓的棒狀食品」,也能用膠囊形來近似。直徑 2.5 cm(半徑 1.25 cm)、圓柱部分 12 cm 的話,體積是 \(\pi \times 1.25^2 \times 12 + \dfrac{4}{3}\pi \times 1.25^3 \approx 67\,\mathrm{cm^3}\)。
食品的密度多半接近水(每 1 cm³ 約 1 g),所以重量大約不到 70 g。由體積估算重量或熱量的數量級,不論在食品開發還是家裡都用得上。
公式與圖示
符號與用語解說
符號
| \(V\) | V | 常用來表示體積的符號,取自英文 volume(體積)的字首。本頁用來表示膠囊形整體的體積。 |
| \(V_1\)、\(V_2\) | V 下標 1、V 下標 2 | 同一種量(這裡是體積)有好幾個時,在右下角加上小小的編號(下標)來區分。本頁的 \(V_1\) 是圓柱部分的體積,\(V_2\) 是兩端半球合起來的球的體積。 |
| \(r\) | r | 半徑(圓的中心到邊緣的長度),取自英文 radius(半徑)的字首。在膠囊形中,圓柱部分截面的半徑和兩端半球的半徑是同一個 \(r\),長度是直徑的一半。 |
| \(h\) | h | 圓柱部分的高(不含兩端半球、筆直主體部分的長度),取自英文 height(高度)的字首。膠囊形整體的長度是 \(h + 2r\)。 |
| \(\pi\) | pi | 表示圓周率的希臘字母。它是圓周長 ÷ 直徑的值,\(3.14159\ldots\) 無限延續下去。國小用的「3.14」是它的近似值。 |
| \(r^2\)、\(r^3\) | r 的平方、r 的 3 次方 | 右上角的小數字(指數)表示「同一個數乘幾次」。\(r^2 = r \times r\),\(r^3 = r \times r \times r\)。圓柱部分用平方,球部分用 3 次方。 |
| \(\dfrac{4}{3}\) | 三分之四 | 球體積公式中固定出現的係數(常數),意思是約 1.33 倍,表示球的體積是「半徑乘 3 次的 \(r^3\) 再乘以 \(\pi\)」的 \(\dfrac{4}{3}\) 倍。 |
| \(\mathrm{cm^3}\) | 立方公分 | 體積的單位。邊長 1 cm 的正方體的體積是 1 cm³,讀作「立方公分」,且 1 cm³ = 1 mL。 |
| \(\mathrm{m^3}\) | 立方公尺 | 體積的單位。邊長 1 m 的正方體的體積是 1 m³,且 \(1\,\mathrm{m^3} = 1000000\,\mathrm{cm^3} = 1000\,\mathrm{L}\)。 |
| \(\mathrm{L}\) | 公升 | 體積(容量)的單位。\(1\,\mathrm{L} = 1000\,\mathrm{cm^3} = 1000\,\mathrm{mL}\),是飲料和水量常見的單位。 |
用語
| 膠囊形 | 在圓柱兩端各接一個半球的立體,常見於藥品膠囊、瓦斯儲槽等。在遊戲和電腦繪圖(CG)領域,也常以「膠囊」(capsule)的名稱用在碰撞判定等地方。 |
| 半球 | 用通過中心的平面把球剛好切成一半的立體,就是膠囊形兩端圓圓的部分。2 個半球合起來就是 1 個球。 |
| 圓柱 | 底面是圓,不管從哪裡橫切都是同樣大小的圓的筆直立體。膠囊形中間的主體部分就是圓柱。 |
| 球 | 像球一樣,由到中心距離都相等的點所構成的立體。體積用 \(\dfrac{4}{3}\pi r^3\) 求出。 |
| 體積 | 用數表示立體占有空間的大小,以「有幾個邊長 1 cm 的正方體(1 cm³)」來測量。 |
| 圓周率 | 表示圓周長是直徑幾倍的數。不管多大的圓都是同一個值,用符號 \(\pi\) 表示(約 3.14)。 |
| 單位換算 | 把同一個量改用別的單位表示。體積的重點是:長度換算率(1 m = 100 cm)的三次方,就是體積的換算率(1 m³ = 1000000 cm³)。 |
建議先了解的基礎知識
為了讓您「理解意義」地使用本頁的計算,這裡整理了事先了解會更好懂的基礎知識。
| 圓的面積(國小高年級,10~12 歲) |
|
| 體積的意義與單位(國小四~五年級,9~11 歲) |
|
| 角柱與圓柱的體積(國小高年級,10~12 歲) |
|
| 球的體積(國中~高中,12~18 歲) |
|
| 圓周率與用符號代表數(國中,12~15 歲) |
|
| 指數(乘方)的意義(國中,12~15 歲) |
|
用 Excel 計算的方法
| 圓柱部分的體積 V1 | 113.1 |
| 兩端半球合起來的球的體積 V2 | 113.1 |
| 膠囊形的體積 | =B1+B2 |
| 半徑 r | 3 |
| 圓柱部分的高 h | 4 |
| 圓柱部分的體積(πr²h) | =PI()*B1^2*B2 |
| 半徑 r | 3 |
| 球的體積(4/3πr³) | =4/3*PI()*B1^3 |
| 半徑 r | 3 |
| 圓柱部分的高 h | 4 |
| 膠囊形的體積 | =PI()*B1^2*B2+4/3*PI()*B1^3 |
| 以 cm³ 表示的體積 | 226.19 |
| 以 L 表示的體積 | =B1/1000 |
| 以 cm³ 表示的體積 | 200000 |
| 以 m³ 表示的體積 | =B1/1000000 |
公式裡的「PI()」是傳回圓周率 π(3.14159…)的 Excel 函數,「B1」「B2」意思是「使用該儲存格裡的數值」,「*」是乘號,「/」是除號,「^」是乘方(乘幾次)的符號。
例如第二個表格的 B3 會顯示約 113.097(因為用 cm 輸入,所以是 cm³)。第三個表格的 B2 約 113.097,第四個表格的 B3 約 226.195,可以確認和「圓柱部分 + 球部分」(第一個表格的 B3。這裡是把四捨五入成 113.1 的值相加,所以是 226.2)幾乎相同。第五個表格的 B2 是 0.22619,第六個表格的 B2 是 0.2。只要把輸入欄的數值改成您自己的膠囊形尺寸即可使用。
用 Google 試算表計算的方法
| 圓柱部分的體積 V1 | 113.1 |
| 兩端半球合起來的球的體積 V2 | 113.1 |
| 膠囊形的體積 | =B1+B2 |
| 半徑 r | 3 |
| 圓柱部分的高 h | 4 |
| 圓柱部分的體積(πr²h) | =PI()*B1^2*B2 |
| 半徑 r | 3 |
| 球的體積(4/3πr³) | =4/3*PI()*B1^3 |
| 半徑 r | 3 |
| 圓柱部分的高 h | 4 |
| 膠囊形的體積 | =PI()*B1^2*B2+4/3*PI()*B1^3 |
| 以 cm³ 表示的體積 | 226.19 |
| 以 L 表示的體積 | =B1/1000 |
| 以 cm³ 表示的體積 | 200000 |
| 以 m³ 表示的體積 | =B1/1000000 |
用 Python 計算的方法
import math
radius = 3 # 半徑(這個例子是 cm)
height = 4 # 圓柱部分的高(不含兩端的半球,和半徑用相同的單位)
cylinder_volume = math.pi * radius ** 2 * height # 圓柱部分的體積(πr²h,這個例子是 cm3)
sphere_volume = 4 / 3 * math.pi * radius ** 3 # 兩端半球合起來的球體積(4/3πr³)
volume = cylinder_volume + sphere_volume # 膠囊形的體積(輸入單位的三次方)
volume_liter = volume / 1000 # 用 cm 輸入時,換成 L(公升)的體積
print(f"圓柱部分的體積:{cylinder_volume} cm3")
print(f"兩端半球合起來的球體積:{sphere_volume} cm3")
print(f"膠囊形的體積:{volume} cm3")
print(f"換成公升:{volume_liter} L")
用 LaTeX 等數學式語言的寫法(可直接複製)
V = V₁ + V₂
V = V_{1} + V_{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub>
<mo>+</mo>
<msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub>
</mrow>
</math>
V = V_1 + V_2
v1 + v2
V := V1 + V2;
V = V1 + V2;
V = V_1 + V_2
V₁ = π × r² × h
V_{1} = \pi r^{2} h
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub>
<mo>=</mo>
<mi>π</mi>
<mo>⁢</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>⁢</mo>
<mi>h</mi>
</mrow>
</math>
V_1 = pi r^2 h
Pi*r^2*h
V1 := Pi*r^2*h;
V1 = pi*r^2*h;
V_1 = πr^2 h
V₂ = 4/3 × π × r³
V_{2} = \dfrac{4}{3}\pi r^{3}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub>
<mo>=</mo>
<mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac>
<mo>⁢</mo>
<mi>π</mi>
<mo>⁢</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup>
</mrow>
</math>
V_2 = 4/3 pi r^3
4/3*Pi*r^3
V2 := (4/3)*Pi*r^3;
V2 = 4/3*pi*r^3;
V_2 = (4/3)πr^3
V = π × r² × h + 4/3 × π × r³
V = \pi r^{2} h + \dfrac{4}{3}\pi r^{3}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mi>π</mi>
<mo>⁢</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>⁢</mo>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac>
<mo>⁢</mo>
<mi>π</mi>
<mo>⁢</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup>
</mrow>
</math>
V = pi r^2 h + 4/3 pi r^3
Pi*r^2*h + 4/3*Pi*r^3
V := Pi*r^2*h + (4/3)*Pi*r^3;
V = pi*r^2*h + 4/3*pi*r^3;
V = πr^2 h + (4/3)πr^3
V[L] = V[cm³] ÷ 1000
V_{\mathrm{L}} = V_{\mathrm{cm^3}} \div 1000
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>V</mi><mi mathvariant="normal">L</mi></msub>
<mo>=</mo>
<msub><mi>V</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">cm</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msub>
<mo>÷</mo>
<mn>1000</mn>
</mrow>
</math>
V_L = V_(cm^3) -: 1000
vCm3/1000
vL := vCm3/1000;
v_liter = v_cm3/1000;
V(L) = V(cm³)/1000
V[m³] = V[cm³] ÷ 1000000
V_{\mathrm{m^3}} = V_{\mathrm{cm^3}} \div 1000000
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>V</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">m</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msub>
<mo>=</mo>
<msub><mi>V</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">cm</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msub>
<mo>÷</mo>
<mn>1000000</mn>
</mrow>
</math>
V_(m^3) = V_(cm^3) -: 1000000
vCm3/1000000
vM3 := vCm3/1000000;
v_m3 = v_cm3/1000000;
V(m³) = V(cm³)/1000000
請 ChatGPT 幫忙計算的方法
你是數學的計算助理。請務必實際執行 Python 程式碼來進行以下計算,並且只根據執行結果的數值回答(不要用心算或推測回答)。 有一個半徑 3 cm、圓柱部分的高 4 cm 的膠囊形(圓柱兩端各接一個半球的立體)。 請分別求出: 1. 圓柱部分的體積是多少 cm³ 2. 兩端半球合起來的球體積是多少 cm³ 3. 膠囊形整體的體積是多少 cm³ 4. 這個體積換成公升(L)是多少 請列出使用的公式和執行結果的數值。
使用方法
-
1輸入數值在輸入欄中輸入要計算的數值
-
2計算按下「計算」按鈕
-
3查看結果計算結果會立即顯示。計算的思路和公式的解說,也都能在同一個頁面查看
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