教材 · 数学 Course 2 · 图形 · 图形与计量

空间图形的计量

空間図形の計量

4 図形と計量 / 図形の計量 (空間図形への応用を含む)
一句话结论

空间问题平面化:过对称轴切截面、把侧面展开、取一个面上的三角形、把体积换个底面再算一次。相似立体的长度比为 kk 时,面积比 k2k^2,体积比 k3k^3;锥体体积是 13×\dfrac13\times底面积×\times高。

立体题看上去是三维的,可你手里的工具——勾股定理、正弦定理、余弦定理、面积公式、相似——全是平面上的。所以每道立体题的第一步都是同一件事:挑一个平面,把要求的长度或角放进一个三角形里。平面挑对了,剩下的就是前两节的计算。

为什么是这样

挑平面有四种常用办法。① 过对称轴切开:圆锥、正棱锥和球都关于轴对称,过轴的截面里,内切球变成内切圆,外接球变成外接圆,半径不变。② 展开:沿表面走的路线在曲面上没法直接量,把侧面摊平,两点间最短的就是线段。③ 取一个面:四面体被平面切出的三角形,每条边都落在某个侧面上,在那个面里用余弦定理求。④ 体积算两次:同一个锥体换一个面当底,体积不变,于是能求点到平面的距离。

正四面体 ABCDABCD 的高为什么好求:从 AA 向底面作垂线,垂足为 HH。直角三角形 ABHABH、ACHACH、ADHADH 的斜边都是棱长 aa,又共用 AHAH,所以全等,HB=HC=HDHB=HC=HD,HH 是底面三角形的外心。由正弦定理 BH=a2sin⁡60∘=a3BH=\dfrac{a}{2\sin60^\circ}=\dfrac{a}{\sqrt3},勾股得高 63a\dfrac{\sqrt6}{3}a。侧棱都相等的棱锥都是这样,垂足落在底面的外心。

相似的立体,所有长度都乘 kk。面积是两个长度相乘,所以乘 k2k^2;体积是三个长度相乘,所以乘 k3k^3。用平行于底面的平面切锥体,切下的小锥体与原锥体相似,相似比就是两者的高之比。

空间问题平面化:过轴切开、侧面展开、找垂足所在的直角三角形① 过轴切开② 侧面展开③ 找直角三角形r内切球 → 截面的内切圆顶点360° × r/llAA′最短路 = 弦弧长 = 底面周长 2πr沿表面的最短路 → 线段ABCDH垂足 H 是底面的外心把要求的长度放进一个平面三角形,再用勾股、正弦、余弦定理

定量表达

球的体积 43πr3\dfrac43\pi r^3,表面积 4πr24\pi r^2。锥体体积是同底同高柱体的 13\dfrac13。圆锥的侧面展开是扇形:半径是母线 ll,弧长等于底面周长 2πr2\pi r,所以圆心角 =360∘×rl=360^\circ\times\dfrac{r}{l},侧面积 =12×2πr×l=πrl=\dfrac12\times2\pi r\times l=\pi rl。

体积两算是求高和距离的万能办法:先用好算的底面求体积 VV,再换一个面 S′S' 当底,那个面对面的顶点到它的距离就是 3VS′\dfrac{3V}{S'}。内切球同理:球心与各面连成高都是 rr 的锥体,V=13r×V=\dfrac13r\times表面积,这和三角形的 S=12r(a+b+c)S=\dfrac12r(a+b+c) 是同一个想法。球与立方体(棱长 aa):立方体内接于球时直径是空间对角线 3a\sqrt3a;球内切于立方体时直径是 aa;球与 12 条棱都相切时直径是面对角线 2a\sqrt2a。

V=13S′h′ ⟹ h′=3VS′,V=13r (S1+S2+⋯+Sn)V=\dfrac13S'h' \ \Longrightarrow\ h'=\dfrac{3V}{S'},\qquad V=\dfrac13r\,(S_1+S_2+\cdots+S_n)
VV
锥体(四面体、棱锥)的体积,先用好算的底面和高求出
S′S'
换上来当底面的那个面的面积
h′h'
对面的顶点到这个面的距离,也就是要求的「点到平面的距离」
rr
内切球的半径
S1, …, SnS_1,\ \ldots,\ S_n
立体各个面的面积,相加是表面积
适用条件
  • 第一式:同一个锥体换哪个面当底,体积都不变
  • 第二式:只在有内切球(球与所有面都相切)时成立。球心和每个面连成一个高为 rr 的锥体,体积相加
  • 两式都别丢 13\dfrac13

怎么用

EJU 的立体题常顺着一条线往下问:底面和高 →\to 体积 →\to 某个面的面积 →\to 点到面的距离 →\to 内切球半径。下面的例题就是这样,最后一问用截面和体积两种办法各做一次,结果互相验算。

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