高中空间 · 经典拓展 · 晶胞与球堆积

同样空间,怎样装更多球?

等半径硬球,比较无限周期晶格单胞。换一种球的排列,比较单胞里的占用比例。

问题的来处1611—2005年 · 开普勒猜想

球堆仓库:问题从哪里来?

开普勒提出等球如何最密堆积的问题,Hales的证明经历严谨的数学与计算检验。浏览器中摆出一堆球并不能证明最优性。

读一段背景,带着问题动手

开普勒提出等球如何最密堆积的问题,Hales的证明经历严谨的数学与计算检验。浏览器中摆出一堆球并不能证明最优性。

开普勒提出等球如何最密堆积的问题,Hales的证明经历严谨的数学与计算检验。浏览器中摆出一堆球并不能证明最优性。 等半径硬球,比较无限周期晶格单胞。 有限箱子中,边界剩余空间可以忽略吗?

现在,换你来试只改变堆积方式,对比单胞边长与体积分数。

球堆仓库

M10 / 概率与经典数学
今天的问题

为什么面心位置的球能填进空隙?

独立探索要做什么?

只改变堆积方式,对比单胞边长与体积分数。

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从1到0 逐步改变堆积方式;这是条件比较,不是物理时间。暂停后可亲手调整。

尚未开始;也可直接使用装置旁的参数控件。
周期晶格 · 三维球的遮挡不等于相交单胞占比 0.5236
青金球:相邻层边界球按份计入单胞体积分数
看这里 · 无限周期体积分数0.5236

单胞等效球数 1,体积分数 0.5236。简单立方的层与层正对,空隙较大。

拖动旋转检查空间关系;正面、俯视可核对投影,读数按原构造计算。

无限周期体积分数
0.5236
空隙率
0.4764
常规单胞边长/球半径
2
单胞等效球数
1

等半径硬球;简单立方π/6,面心立方π/(3√2)。这是无限周期单胞比,不把有限容器边界和颗粒压实率混为一谈。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

本实验以装置几何与上方读数作为证据。

换个条件,再想一步

有限箱子中,边界剩余空间可以忽略吗?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

简单立方单胞边长2r,球数1;面心立方边长2√2r,等效球数4。由球体积/单胞体积得π/6与π/(3√2)。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

为什么面心位置的球能填进空隙?

换个条件,再试一次

有限箱子中,边界剩余空间可以忽略吗?

看哪里?

拖动旋转检查空间关系;正面、俯视可核对投影,读数按原构造计算。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识晶胞与球堆积涉及的量与单位:堆积方式(无量纲)。高中空间 · 经典拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:换一种球的排列,比较单胞里的占用比例。

再做定量:保持其他条件,比较堆积方式与无限周期体积分数(无量纲),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

简单立方单胞边长2r,球数1;面心立方边长2√2r,等效球数4。由球体积/单胞体积得π/6与π/(3√2)。

对照核验提示:简单立方:沿三轴整齐堆叠;面心立方:面中心补球。按这些题设自己操作并比较无限周期体积分数,不把参考情景当个人完成。

适用范围:等半径硬球;简单立方π/6,面心立方π/(3√2)。这是无限周期单胞比,不把有限容器边界和颗粒压实率混为一谈。

Hales · A proof of the Kepler conjecture(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。