ม.ต้น · 25 นาที

พื้นที่ผิวและปริมาตรของทรงกลม

ทำความรู้จักรัศมีของทรงกลม ที่มาของสูตรพื้นที่ผิว 4πr² และปริมาตร 43 πr³ จากแนวคิดของอาร์คิมิดีส แล้วลองปรับรัศมี เทียบรัศมีสองเท่า และฝึกคิดโจทย์ในห้องทดลองสามมิติที่ขยายเต็มจอได้

ปกบทเรียนพื้นที่ผิวและปริมาตรของทรงกลม ครูยืนผายมือไปที่ทรงกลมสีเขียวที่ผ่าให้เห็นรัศมีภายในทรงกระบอกใส ข้างทรงกลมสีฟ้าลูกเล็ก

รู้จักทรงกลมและรัศมี

ทรงกลมคือรูปสามมิติที่ทุกจุดบนผิวอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางเท่ากันหมด ระยะทางนี้เรียกว่ารัศมี เขียนแทนด้วย r เส้นผ่านศูนย์กลางคือเส้นตรงที่ผ่านจุดศูนย์กลางและเชื่อมจุดสองจุดบนผิวตรงข้ามกัน จึงยาวเป็น 2 เท่าของรัศมีเสมอ (d = 2r) ทรงกลมต่างจากวงกลมตรงที่วงกลมแบนราบอยู่บนระนาบ แต่ทรงกลมมีความหนาทั้งสามมิติ ข้อมูลเพียงตัวเดียวคือรัศมีก็เพียงพอจะบอกขนาดของทรงกลมทั้งลูก ควรรู้ค่า π และการยกกำลังสองกับยกกำลังสามก่อนเริ่ม

ตัวอย่าง

ลูกฟุตบอลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 22 ซม. รัศมีจึงเป็นครึ่งหนึ่งคือ 11 ซม. ส่วนลูกบอลที่มีรัศมี 5 ซม. จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ซม.

ทรงกลมสองลูกเส้นผ่านศูนย์กลาง 22 และ 10 เซนติเมตร มีรัศมี 11 และ 5 เซนติเมตร
วัดรัศมีจากจุดศูนย์กลางถึงผิว เส้นผ่านศูนย์กลางพาดผ่านศูนย์กลางจากผิวด้านหนึ่งไปอีกด้าน

ทรงกลมรอบตัวเรา: ถามผิวหรือถามความจุ

ทรงกลมพบได้ทั้งลูกบอล ลูกโลก ลูกแก้ว ลูกโป่ง ถังเก็บแก๊สทรงกลม และฟองสบู่ คำถามจริงที่เกิดขึ้นมีสองแบบ แบบแรกถามว่าต้องใช้วัสดุหุ้มหรือทาเท่าไร เช่น หนังหุ้มลูกบอลหรือสีทาถัง คำถามนี้คือพื้นที่ผิว แบบที่สองถามว่าบรรจุอะไรได้เท่าไร เช่น ลมในลูกโป่งหรือน้ำในถัง คำถามนี้คือปริมาตร

ตัวอย่าง

พื้นที่ผิวมีหน่วยเป็นตารางหน่วย เช่น ตร.ซม. หรือ ตร.ม. ส่วนปริมาตรมีหน่วยเป็นลูกบาศก์หน่วย เช่น ลบ.ซม. หรือ ลบ.ม. ถ้ารัศมีเป็นเมตร ผลของพื้นที่ผิวต้องเป็น ตร.ม. และผลของปริมาตรต้องเป็น ลบ.ม.

ทรงกลมแสดงผิวด้านนอกและภาพตัดแสดงภายใน พร้อมหน่วยตารางและลูกบาศก์
สีที่ทาผิวใช้ตารางหน่วย ส่วนความจุภายในใช้ลูกบาศก์หน่วย

สูตรพื้นที่ผิว: 4πr²

พื้นที่ผิวของทรงกลมรัศมี r คำนวณจาก 4πr² ซึ่งเท่ากับพื้นที่ของวงกลมใหญ่ 4 วง เมื่อวงกลมใหญ่คือวงกลมที่ตัดผ่านจุดศูนย์กลางของทรงกลมและมีพื้นที่ πr² อาร์คิมิดีสนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกพบว่า ถ้านำเปลือกส้มทรงกลมมาแผ่ออกจะคลุมวงกลมใหญ่ได้พอดี 4 วง ในห้องทดลอง เมื่อเลือกแสดงพื้นที่ผิวจะเห็นผิวถูกระบายสีทีละส่วน และเห็นวงกลมใหญ่ทั้ง 4 วงอธิบายสูตรนี้

ตัวอย่าง

ทรงกลมรัศมี 7 ซม. ใช้ π = 227 พื้นที่ผิว = 4 × 227 × 7² = 4 × 227 × 49 = 616 ตร.ซม. ส่วนทรงกลมรัศมี 10 ม. ใช้ π = 3.14 พื้นที่ผิว = 4 × 3.14 × 10² = 1,256 ตร.ม.

ทรงกลมและวงกลมรัศมีเดียวกัน 4 รูป พร้อมพื้นที่ผิวรัศมี 7 และ 10
ภาพแสดงการเทียบพื้นที่ ไม่ใช่รูปคลี่จริงของทรงกลม รัศมี 7 ซม. ใช้ π = 227 ได้พื้นที่ผิว 616 ตร.ซม.

สูตรปริมาตร: 43 πr³

ปริมาตรของทรงกลมรัศมี r คำนวณจาก 43 πr³ อาร์คิมิดีสแสดงว่า ถ้านำทรงกลมใส่ในทรงกระบอกที่ห่อพอดี ซึ่งมีรัศมีฐาน r และสูง 2r ปริมาตรทรงกลมจะเป็น 23 ของปริมาตรทรงกระบอก ทรงกระบอกนี้มีปริมาตร πr² × 2r = 2πr³ จึงได้ 23 × 2πr³ = 43 πr³ ในห้องทดลอง เมื่อเลือกแสดงปริมาตรจะเห็นทรงกลมถูกเติมเต็มจากข้างใน และตัวเลขปริมาตรเพิ่มขึ้นตามระดับที่เติม

ตัวอย่าง

ทรงกลมรัศมี 3 ซม. ใช้ π = 3.14 ปริมาตร = 43 × 3.14 × 3³ = 43 × 3.14 × 27 = 113.04 ลบ.ซม. ตรวจด้วยทรงกระบอก: 2 × 3.14 × 27 = 169.56 แล้วคูณ 23 ได้ 113.04 เท่ากัน

ทรงกลมรัศมี 3 อยู่ในทรงกระบอกรัศมี 3 สูง 6 ปริมาตร 113.04 และ 169.56 ลูกบาศก์เซนติเมตร
เมื่อทรงกระบอกมีรัศมี r และสูง 2r ปริมาตรทรงกลมเป็น 23 ของทรงกระบอก

รัศมีเพิ่มเป็น 2 เท่า ค่าเปลี่ยนไปกี่เท่า

พื้นที่ผิวมี r² จึงเปลี่ยนตามกำลังสองของอัตราส่วนรัศมี ส่วนปริมาตรมี r³ จึงเปลี่ยนตามกำลังสาม ถ้ารัศมีเป็น 2 เท่า พื้นที่ผิวเป็น 2² = 4 เท่า และปริมาตรเป็น 2³ = 8 เท่า ถ้ารัศมีเป็น 3 เท่า พื้นที่ผิวเป็น 9 เท่า และปริมาตรเป็น 27 เท่า นี่คือเหตุผลที่ลูกบอลใหญ่เพียงเล็กน้อยก็จุลมได้มากกว่าที่คิด กดตัวเลือก “เทียบกับ r × 2” ในห้องทดลองเพื่อดูทรงกลมสองลูกเทียบกัน

ตัวอย่าง

ทรงกลมรัศมี 5 ซม. มีพื้นที่ผิว 4 × 3.14 × 25 = 314 ตร.ซม. และปริมาตรประมาณ 523.33 ลบ.ซม. เมื่อรัศมีเป็น 10 ซม. พื้นที่ผิวเป็น 1,256 ตร.ซม. (4 เท่า) และปริมาตรประมาณ 4,186.67 ลบ.ซม. (8 เท่า)

ทรงกลมรัศมี 5 และ 10 เซนติเมตรวาดให้รัศมีเป็นสองเท่าพร้อมพื้นที่และปริมาตร
รัศมีเพิ่มสองเท่า พื้นที่ผิวเพิ่มสี่เท่าและปริมาตรเพิ่มแปดเท่า ใช้ π = 3.14

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ข้อผิดพลาดแรกคือใช้เส้นผ่านศูนย์กลางแทนรัศมี โจทย์มักให้เส้นผ่านศูนย์กลางมา ต้องหารสองก่อนแทนค่าเสมอ ข้อที่สองคือสับสนกำลังของ r ใช้ r² สำหรับพื้นที่ผิวและ r³ สำหรับปริมาตร ข้อที่สามคือยกกำลังเฉพาะ r แต่คูณ π หรือ 4 ผิดลำดับ ให้ยกกำลังก่อน แล้วค่อยคูณ และข้อสุดท้ายคือลืมหน่วย ตารางหน่วยสำหรับพื้นที่ผิว ลูกบาศก์หน่วยสำหรับปริมาตร

ตัวอย่าง

ลูกบอลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ซม. ต้องใช้ r = 10 ซม. ไม่ใช่ 20 ซม. พื้นที่ผิว = 4 × 3.14 × 10² = 1,256 ตร.ซม. ถ้าใช้ 20 แทนค่าผิดจะได้ 5,024 ตร.ซม. ซึ่งมากเกินจริงถึง 4 เท่า

ลูกบอลเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 เซนติเมตรต้องใช้รัศมี 10 แทนสูตรพื้นที่ผิว
d = 20 ซม. จึงใช้ r = 10 ซม. การแทน 20 จะได้พื้นที่มากเกินจริงสี่เท่า

ใช้ห้องทดลองด้านล่าง

ห้องทดลองมีสามแท็บ แท็บพื้นที่ผิวและแท็บปริมาตรให้เลื่อนแถบรัศมี 1 ถึง 10 เมตร ติ๊กเพื่อดูภาพและการคำนวณทีละบรรทัด กดหลอดไฟเพื่อดูสูตร ลากบนทรงกลมเพื่อหมุนดู กดที่ชิป π เพื่อสลับระหว่าง 3.14, 227 และ π จากเครื่องคิดเลข ส่วนแท็บฝึกคิดจะสุ่มโจทย์ให้คำนวณเองก่อนเฉลย กดปุ่มเต็มจอเพื่อใช้กับจอหรือโปรเจกเตอร์ในห้องเรียน แล้วกด Esc เพื่อออก

ตัวอย่าง

ลองตั้งรัศมี 3 แล้วดูปริมาตร จากนั้นติ๊ก “เทียบกับ r × 2” สังเกตว่าทรงกลมรัศมี 6 มีปริมาตรเป็น 8 เท่า แล้วสลับ π เป็น 227 ดูว่าคำตอบเปลี่ยนไปเล็กน้อยเพราะค่าประมาณต่างกัน

ทรงกลมรัศมี 3 และ 6 วาดให้รัศมีเป็นสองเท่า พร้อมปริมาตร 113.04 และ 904.32
ตั้ง π = 3.14 เพื่อเปรียบเทียบ แล้วเปลี่ยนเป็น 227 จะได้ค่าประมาณต่างกันเล็กน้อย แต่สัดส่วนยังเป็นแปดเท่า

ห้องทดลองทรงกลม

พื้นที่ผิวและปริมาตรของทรงกลม
รัศมี (r)
1ม.
ค่า π

ลากที่ทรงกลมเพื่อหมุนดู

การคำนวณ

ติ๊ก “แสดงพื้นที่ผิว” เพื่อดูการคำนวณ

ลองคิดด้วยตัวเอง

เช็กความเข้าใจ

ทรงกลมรัศมี 6 ซม. มีพื้นที่ผิวเท่าไร (ใช้ π = 3.14)?
← กลับไปเลือกบทเรียน