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SHANGHAI MATHEMATICS · SECTION 11.2

学生阅读版 / 沪教版高中数学

锥体.

必修第三册
第11章简单几何体 · 保留教材主线与原题

1 个阅读模块7 个例题21 道练习与习题
11.2

锥体

教材与正式教参整合

和柱体一样, 锥体也是日常生活中常见的空间图形, 如铅锤、金字塔等(图 11-2-1). 本节我们将讨论一些简单锥体的形状特征和度量方法.

教材或教参原图

图 11-2-1

1 棱锥与圆锥

教材或教参原图

图 11-2-2

例题 1

例 1 证明: 在正三棱锥中, 任意两条异面的棱都相互垂直.


棱锥常用表示其顶点的字母与表示其底面多边形的记号之间加短横来记,例如, 图 11-2-2 中, 左边的三棱锥可记为 ,右边的六棱锥可记为 .


教材或教参原图

图 11-2-3

例题 2

例 2 如图 11-2-5,用平行于圆锥 底面的平面截这个圆锥,得到一个小圆锥 . 如果这两个圆锥的高分别是 ,求这两个圆锥的底面面积之比.

练习 11.2(1)

练习11.2(1) · 1
  1. 用平行于棱锥底面的平面截这个棱锥, 得到一个小棱锥. 已知这两个棱锥的高分别是 ,求这两个棱锥的底面面积之比.
练习11.2(1) · 2

2.(1)过圆锥的任意两条母线作一个平面与圆锥相截,得到的截面是什么图形?在什么条件下, 所得到的截面面积最大?

(2)如果圆锥的母线与底面所成的角为 ,那么经过圆锥两条母线的平面与圆锥底面所成的二面角有可能小于 吗?

练习11.2(1) · 3
  1. 显然, 通过延长圆台的任意一条母线都可以使它们交于一点, 从而得到一个圆锥. 如图, 这样的几何体是否也可以通过延长棱的方法得到一个棱锥?

教材或教参原图

(第 3 题)

2 锥体的体积

其中, 为棱锥底面的面积, 为棱锥的高.

其中, 为底面半径.

例题 3

例 3 如图 11-2-6,设 分别是给定正方体 的棱 和 上的任意点. 求证: 三棱锥 的体积是定值.

例题 4

例 4 如图 11-2-7,设正方体 的棱长为 . 求顶点 到面 的距离.

例题 5

例 5 如图 11-2-8,设台体上、下底面积分别为 和 , 上下底面的距离为 . 求证: .

练习 11.2(2)

练习11.2(2) · 1
  1. 已知四棱锥 的底面是边长为 6 的正方形,侧棱 垂直于底面,且 . 求该四棱锥的体积.
练习11.2(2) · 2
  1. 已知直三棱柱 的侧棱长为 9,底面相邻边的长分别是 7 和 5,夹角为 . 求三棱锥 的体积.
练习11.2(2) · 3
  1. 已知圆台上、下底面的半径分别为 ,高为 . 求证: .

探究与实践

下面我们尝试由棱柱的体积公式推导棱锥的体积公式.

平面几何中, 在推导三角形的面积公式时, 可以先把两个全等的三角形拼成一个平行四边形, 如图 11-2-9, 然后利用已知的平行四边形的面积公式导出三角形的面积公式.

教材或教参原图

图 11-2-9

前面我们已经得到了柱体的体积公式, 能否类似平面几何的做法, 利用柱体的体积公式来推导锥体的体积公式呢? 要这样做, 显然应该从三棱锥开始, 因为任意一个棱锥都可以分割为若干个三棱锥.

作为准备, 我们先证明: 等底等高的三棱锥的体积相等.

已知三棱锥 和 的底面积都是 ,高都是 .

求证: 三棱锥 和 的体积相等.

教材或教参原图

图 11-2-10

证明 如图 11-2-10,把两个三棱锥的底面都放在平面 上,任意作平面 平行于 , 设平面 截三棱锥 所得的截面为 ,其面积为 ; 平面 截三棱锥 所得的截面为 ,其面积为 . 如果三棱锥的顶点 和 到平面 的距离为 ,那么推得 和 . 于是,得 ,相似比是 . 同理可得 ,相似比也是 . 由相似形的性质, 得

即

这说明用任意平行于底面的平面截两个等底的三棱锥时, 所得的截面面积相等, 所以由祖暅原理得三棱锥 和 的体积相等,即等底等高的三棱锥的体积相等.

下面我们来推导三棱锥的体积公式.

如图 11-2-11,设 是任一给定的三棱锥,其底面面积为 为高,且 . 过顶点 分别作 ,连接 ,显然 . 由棱柱的定义,可知 为三棱柱,其底面面积为 ,高为 . 下面需要研究的是三棱柱 与三棱锥 的体积之间的关系.

教材或教参原图

图 11-2-11

考察三棱柱的构造可以发现,比原三棱锥 多出的部分是一个四棱锥 . 连接 ,将这个四棱锥分割成两个等底同高的三棱锥 和 . 因此 . 另一方面,可将三棱锥 视作三棱锥 ,则它和原三棱锥 又是等底同高的三棱锥,于是 . 我们证明了三个三棱锥 与 都具有相同的体积, 于是

教材或教参原图

图 11-2-12

由此得 .

其中, 为棱锥的底面积, 为棱锥的高.

3 锥体的表面积

与柱体类似, 锥体的表面积也等于侧面积与底面积之和. 对于棱锥或圆锥来说, 由于底面是一个平面多边形或一个圆, 可以用平面几何的方法计算面积, 因此求侧面积是关键. 对于一般的棱锥来说, 每个侧面都是三角形, 其侧面积也易于求出, 但难以写出一个一般的公式. 对于圆锥来说, 求其侧面积则是一个新的问题, 下面我们只讨论正棱锥和圆锥的表面积.

教材或教参原图

图 11-2-13

对于圆锥, 我们可以采用求圆柱侧面积的方法, 将其沿一条母线剪开, 展开在一个平面内. 可以看到, 圆锥侧面的平面展开图是一个以圆锥母线 为半径的扇形,扇形的弧长就等于圆锥底面的圆周长,如图 11-2-13 所示. 设圆锥的底面圆半径为 ,则扇形的中心角 (弧度). 由扇形的面积公式,可得

例题 6

例 6 已知正三棱锥 的底面边长为 ,高为 . 求该三棱锥的表面积.

教材或教参原图

图 11-2-14

例题 7

例 7 有一个圆锥形漏斗,其底面直径是 ,母线长为 . 在漏斗口的点 处用一根绳子将漏斗挂在墙面上,当绳子的长度最短时, 可以紧紧地箍住漏斗, 不会上下滑动. 求此时绳子的长度. (结果精确到 )

练习 11.2(3)

练习11.2(3) · 1
  1. 已知圆锥侧面展开图中扇形的中心角为 ,底面周长为 . 求这个圆锥的侧面积和表面积.
练习11.2(3) · 2
  1. 棱长都是 1 的三棱锥的表面积为___.
练习11.2(3) · 3
  1. 推导正棱台的侧面积公式.

习题 11.2

A 组

习题11.2A · 1
  1. 已知一个正三棱锥的底面边长为 6 , 侧棱长为 . 求这个三棱锥的体积.
习题11.2A · 2
  1. 如图,已知三棱锥 中, 垂直于平面 3, .

(1)求点 到平面 的距离;

(2)求三棱锥 的表面积.

教材或教参原图

(第 2 题)

习题11.2A · 3
  1. 把边长为 1 的正方形 沿对角线 折起,使 (折叠后的) 四点为顶点的三棱锥体积最大. 求此三棱锥的表面积.

教材或教参原图

(第 3 题)

习题11.2A · 4
  1. 棱锥被平行于底面的平面所截, 当截面分别平分棱锥的高与体积时, 相应的截面面积分别为 . 求证: .
习题11.2A · 5
  1. 若圆锥的底面半径为 1,高为 ,求圆锥的表面积.
习题11.2A · 6
  1. 把一个圆锥截成圆台,已知圆台的上、下底面半径的比为 ,母线 (原圆锥母线在圆台中的部分) 长为 . 求原圆锥的母线长.
习题11.2A · 7
  1. 已知圆锥的底面半径为 3,沿该圆锥的母线把侧面展开后可得到圆心角为 的扇形. 求该圆锥的高.
习题11.2A · 8
  1. 用一个平面去截正方体, 得到一个三棱锥, 截得的三棱锥中, 除了截面外另三个面的面积分别为 . 求这个三棱锥的体积.

B 组

习题11.2B · 1
  1. 在三棱锥 中,已知 . 求该三棱锥底面 上的高与三棱锥的体积.
习题11.2B · 2
  1. 用过圆柱和圆锥的轴的平面截这两个几何体, 分别得到边长为 2 的正方形和正三角形, 求圆柱和圆锥的表面积之比.
习题11.2B · 3
  1. 已知圆锥底面的半径为 10,母线长为 60 . 求底面圆周上一点 沿侧面绕两周回到点 的最短距离.
习题11.2B · 4
  1. 设圆台的母线长为 ,上、下底面的半径分别为 . 试用 和 表示圆台的侧面积.
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