請在球冠(用平面從球切下的圓頂形)的「底面半徑 \(r\)」「球半徑 \(R\)」「高 \(h\)」中,只在已知的 2 個欄位填入數值。會先反推剩下的 1 個,再算出圓弧曲面部分的面積(\(2\pi Rh\))、底面圓面積和兩者合計。
這個頁面可以做什麼
- 馬上算出球冠(用平面把球一刀切下、像圓頂的形狀)的表面積
- 在「底面半徑 \(r\)」「球半徑 \(R\)」「高 \(h\)」中,只要輸入已知的 2 個,剩下的 1 個也會自動反推
- 附計算過程,一次顯示圓弧曲面部分的面積(\(2\pi Rh\))、底面(切口的圓)面積和兩者合計
- 計算結果的球冠也會用 3D 圖形顯示(可以拖曳旋轉)
- 公式的淺顯解說,以及可直接複製到 Excel、Google 試算表、Python 的公式,都整理在這個頁面
這個計算有什麼用?
天象儀、天文台、巨蛋球場的圓形屋頂,正是球冠的形狀。屋頂材料和塗裝的量,可以用曲面面積 \(2\pi Rh\) 估算。
例如直徑 16 公尺(底面半徑 8 公尺)、高 4 公尺的圓頂,原本球的半徑是 \(R = (4^2 + 8^2) \div (2 \times 4) = 10\) 公尺,屋頂面積可以算出是 \(2\pi \times 10 \times 4 \approx 251\,\mathrm{m^2}\)。
眼鏡和隱形眼鏡的表面是球冠的形狀,圓弧程度用「原本球的半徑」(曲率半徑)來表示。鏡片師傅使用的球徑計,會量出鏡片表面的寬度 \(2r\) 和隆起的高 \(h\),再用公式 6(\(R = (h^2 + r^2) \div 2h\))算出原本球的半徑。
例如在半徑 6 公釐的範圍內隆起 0.9 公釐,曲率半徑就是 \((0.9^2 + 6^2) \div 1.8 \approx 20.5\) 公釐。
在圓頂蛋糕(半球)上淋巧克力或鏡面淋醬(有光澤的淋面)時,需要的量和表面的面積成正比。直徑 12 公分的半球蛋糕,\(R = h = 6\) 公分,所以曲面面積是 \(2\pi \times 6 \times 6 \approx 226\,\mathrm{cm^2}\)。
也能用來估算「模具尺寸變成 2 倍,淋面要幾倍」(因為是面積,約 4 倍)。
球形浮標浮在水面上時,露出水面的部分是球冠。半徑 15 公分的浮標露出水面 10 公分,接觸空氣的面積是 \(2\pi \times 15 \times 10 \approx 942\,\mathrm{cm^2}\)。
從整顆球的表面積 \(4\pi R^2 \approx 2827\,\mathrm{cm^2}\) 減掉,就知道泡在水裡的面積(需要防汙塗裝的範圍)約 \(1885\,\mathrm{cm^2}\)。
人造衛星電波能到達的地表範圍(覆蓋區),可以近似成地球表面的一部分,也就是球冠。覆蓋面積可以用地球半徑 \(R \approx 6371\) 公里和範圍的深度 \(h\),以 \(2\pi Rh\) 估算(實際設計還會考慮電波強度的分布等)。
「把衛星升高,覆蓋範圍會擴大多少」這類通訊網路的規劃,就是以這個公式的想法為基礎。
公式與圖示
符號與用語解說
符號
| \(S\) | S | 常用來表示面積的符號,取自英文 surface(表面)或 square(正方形、平方)的第一個字母。在本頁表示球冠的表面積。 |
| \(R\) | R(大寫) | 原本的球(切開前的整顆球)的半徑,取自英文 radius(半徑)的第一個字母。為了和小寫的 \(r\) 區分,所以用大寫。 |
| \(r\) | r(小寫) | 底面(切口的圓)的半徑。雖然同樣叫「半徑」,但和大寫的 \(R\)(球半徑)是不同的長度,請注意。 |
| \(h\) | h | 球冠的高,也就是從切口的平面到球面頂端的距離,取自英文 height(高)的第一個字母。 |
| \(\pi\) | pi | 圓周率,表示圓周長是直徑幾倍的常數,約 3.14159…無限延續。國小用 3.14 計算。 |
| \(r^2\) | r 的平方 | 同一個數 \(r\) 連乘 2 次的值(\(r \times r\))。右上角的小 2 是指數,意思是「乘 2 次」(例如 \(3^2 = 3 \times 3 = 9\))。 |
| \(\sqrt{\phantom{0}}\) | 根號 | 表示平方後等於該數、0 以上的數的符號(例如 \(\sqrt{75}\) 是「平方後等於 75 的數」,約 8.66)。 |
| \(\pm\) | 正負 | 表示「加和減兩種情況都是答案」的符號。在公式 5 中表示高 \(h\) 的答案有 2 個。 |
| \(\mathrm{cm^2}\) | 平方公分 | 面積的單位。每邊 1 公分的正方形,面積是 1 cm²。這個計算機的面積單位是「輸入長度單位的平方」(以公尺輸入就是 m²)。 |
用語
| 球冠 | 用一個平面把球一刀切開時得到的圓弧曲面部分,像圓頂屋頂、碗、隱形眼鏡的形狀。 |
| 球缺 | 用一個平面從球切下的「實心的一塊」。它的表面由球冠(圓弧曲面)和底面(切口的圓)組成,本頁的「表面積合計」就是球缺整個表面的面積。 |
| 半球 | 用通過球心的平面把球剛好切成一半的形狀,是高 \(h\) 等於球半徑 \(R\)(\(h = R\))的特殊球冠。 |
| 表面積 | 立體整個表面的面積。和體積(裡面的多少)是不同的量,在考慮塗裝面積、包裝紙面積等時使用。 |
| 曲面 | 不是平的、而是彎曲的面。球冠「圓圓的部分」是曲面,切口的圓是平面。 |
| 畢氏定理 | 直角三角形中「夾直角的兩邊的平方和=斜邊的平方」成立的定理(也叫勾股定理)。公式 4~6 的反推公式,都是對球的截面中出現的直角三角形使用這個定理推導出來的。 |
| 平方根 | 平方後等於該數的數,符號是 \(\sqrt{\phantom{0}}\)(根號)。在反推的公式 4、公式 5 中,為了「把平方的計算還原」而出現。 |
建議先了解的基礎知識
為了能「理解意義」地使用這個頁面的計算,這裡整理了建議先了解的基礎知識。
| 圓面積與圓周率(國小六年級,11~12 歲) |
|
| 次方與指數(國中七年級,12~13 歲) |
|
| 球的表面積公式(國中~高中,12~18 歲) |
|
| 平方根(國中八年級,13~14 歲) |
|
| 畢氏定理(國中八年級,13~14 歲) |
|
用 Excel 計算的方法
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 球冠(曲面)的面積 | =2*PI()*B1*B2 |
| 底面半徑 r | 3 |
| 底面圓的面積 | =PI()*B1^2 |
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 底面半徑 r(自動計算) | =SQRT(2*B1*B2-B2^2) |
| 表面積合計 | =2*PI()*B1*B2+PI()*B3^2 |
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 底面半徑 r | =SQRT(2*B1*B2-B2^2) |
| 底面半徑 r | 1 |
| 球半徑 R | 2 |
| 高 h(解 1,淺的球冠) | =B2-SQRT(B2^2-B1^2) |
| 高 h(解 2,深的球冠) | =B2+SQRT(B2^2-B1^2) |
| 底面半徑 r | 3 |
| 球冠的高 h | 2 |
| 球半徑 R | =(B2^2+B1^2)/(2*B2) |
「PI()」是傳回圓周率 π(3.14159…)的函數,「SQRT()」是求平方根(根號)的函數。「*」是乘法,「/」是除法,「^」是次方(平方)的符號。
例如第 1 個表格的 B3 會顯示約 314.16,第 3 個表格的 B4 會顯示約 549.78。第 5 個表格是高的答案有 2 個的例子(約 0.268 和約 3.732)。只要把輸入欄的數值改成自己的值就能使用。
用 Google 試算表計算的方法
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 球冠(曲面)的面積 | =2*PI()*B1*B2 |
| 底面半徑 r | 3 |
| 底面圓的面積 | =PI()*B1^2 |
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 底面半徑 r(自動計算) | =SQRT(2*B1*B2-B2^2) |
| 表面積合計 | =2*PI()*B1*B2+PI()*B3^2 |
| 球半徑 R | 10 |
| 球冠的高 h | 5 |
| 底面半徑 r | =SQRT(2*B1*B2-B2^2) |
| 底面半徑 r | 1 |
| 球半徑 R | 2 |
| 高 h(解 1,淺的球冠) | =B2-SQRT(B2^2-B1^2) |
| 高 h(解 2,深的球冠) | =B2+SQRT(B2^2-B1^2) |
| 底面半徑 r | 3 |
| 球冠的高 h | 2 |
| 球半徑 R | =(B2^2+B1^2)/(2*B2) |
用 Python 計算的方法
import math
ball_radius = 10 # 球半徑 R(這個例子用公分)
cap_height = 5 # 球冠的高 h
base_radius = math.sqrt(2 * ball_radius * cap_height - cap_height ** 2) # 底面半徑 r(反推)
cap_area = 2 * math.pi * ball_radius * cap_height # 球冠(曲面)的面積
base_area = math.pi * base_radius ** 2 # 底面圓的面積
total_area = cap_area + base_area # 表面積合計
print(f"底面半徑 r:{base_radius} cm")
print(f"球冠(曲面)的面積:{cap_area} cm2")
print(f"底面圓的面積:{base_area} cm2")
print(f"表面積合計:{total_area} cm2")
用 LaTeX 等數學式語言的寫法(可直接複製)
S₁ = 2πRh
S_1 = 2\pi R h
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
<mi>π</mi>
<mi>R</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</math>
S_1 = 2 pi R h
2*Pi*R*h
S1 := 2*Pi*R*h;
S1 = 2*pi*R*h;
S_1 = 2πRh
S₂ = πr²
S_2 = \pi r^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub>
<mo>=</mo>
<mi>π</mi>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</math>
S_2 = pi r^2
Pi*r^2
S2 := Pi*r^2;
S2 = pi*r^2;
S_2 = πr^2
S = 2πRh + πr²
S = 2\pi R h + \pi r^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</math>
S = 2 pi R h + pi r^2
2*Pi*R*h + Pi*r^2
S := 2*Pi*R*h + Pi*r^2;
S = 2*pi*R*h + pi*r^2;
S = 2πRh + πr^2
r = √(2Rh − h²)
r = \sqrt{2Rh - h^{2}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mn>2</mn><mi>R</mi><mi>h</mi>
<mo>−</mo>
<msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</math>
r = sqrt(2Rh - h^2)
Sqrt[2*R*h - h^2]
r := sqrt(2*R*h - h^2);
r = sqrt(2*R*h - h^2);
r = √(2Rh − h^2)
h = R ± √(R² − r²)
h = R \pm \sqrt{R^{2} - r^{2}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<mi>R</mi>
<mo>±</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>−</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</math>
h = R +- sqrt(R^2 - r^2)
Solve[r^2 + (R - h)^2 == R^2, h]
solve(r^2 + (R - h)^2 = R^2, h);
h = [R - sqrt(R^2 - r^2), R + sqrt(R^2 - r^2)];
h = R ± √(R^2 − r^2)
R = (h² + r²) ÷ (2h)
R = \dfrac{h^{2} + r^{2}}{2h}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>+</mo>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow>
</mfrac>
</mrow>
</math>
R = (h^2 + r^2) / (2h)
(h^2 + r^2)/(2*h)
R := (h^2 + r^2)/(2*h);
R = (h^2 + r^2)/(2*h);
R = (h^2 + r^2)/(2h)
請 ChatGPT 幫忙計算的方法
你是數學計算助理。請務必實際執行 Python 程式碼來進行下面的計算,並只根據執行結果的數值回答(不要用心算或推測回答)。 用平面在距離頂端高 5 公分處切開半徑 10 公分的球,做出球冠(圓頂形)。 請分別求出下面的值。 1. 底面(切口的圓)的半徑 r(r = √(2Rh − h²)) 2. 球冠圓弧曲面部分的面積(S₁ = 2πRh) 3. 底面圓的面積(S₂ = πr²) 4. 表面積合計(S = S₁ + S₂) 請列出計算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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