倾斜的长方体水槽表面可以有哪几种图形

请你在一个长方体容器中灌进一些有颜色的水(便于观察),固定容器底面的一边,将容器慢慢倾斜,但不能使水从容器中倒出。随着容器倾斜程度的不同,你会发现水的各个表面的图形的形状和大小也随之变化。你能通过仔细观察,找出这些图形的形状和大小之间所存在的规律吗?

首先,让容器直立在桌面上,并设容器底面长方形为ABCD,如图1所示。这时,水的前侧面BCFE是长方形,水的形状可看成以BCFE为底,以CD为高的长方体,所以,水的体积等于BCFE的面积与CD的乘积。

接着,固定容器底面ABCD的边CD,将容器慢慢倾斜到图2所示的位置,这时水的前侧面BCFE为梯形,设梯形的上、下底分别为BE=a,CF=b,那么a+b是一个定值,而且,随你怎样倾斜,只要水的前侧面是梯形,a+b总固定不变。同时,左侧的a减少时,右侧的b就增加,a减少多少,b就增加多少。你知道这是为什么?

其实,水的形状可以看成以梯形BCFE为底、CD为高的四棱柱,因而水的体积又等于BCFE的面积与CD的乘积,但是,水的体积和CD的长度没有变,于是前侧面梯形的面积也不变,仍等于图1中前侧面长方形的面积。

我们知道梯形面积等于它的上、下底的和与高的乘积的一半,这里,梯形BCFE的高BC固定,所以上、下底之和a+b就固定不变。

继续倾斜容器到图3所示的位置,这时水的前侧面为三角形ECF,水的形状可看成以三角形ECF为底、CD为高的三棱柱,而水的体积和CD都没有变,所以,水的前侧面面积也没变,仍与图1中的长方形BCFE及图2中的梯形BCFE相等。这时如果设CE=c,CF=b,则因三角形ECF的面积=$\frac{1}{2}$×b×c固定,就有b×c固定不变。

现在我们知道了,由图1所示的位置,依次将容器倾斜到图2、图3所示的位置,在这个过程中,水的形状逐渐由长方体变为三棱柱,水的前(后)侧面形状逐渐由长方形变为三角形,水的表面长方形(由上往下看)面积逐渐由小变大。但是,水的体积和水的前(后)侧面面积不变。