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 .

图 11-2-3
学生阅读版 / 沪教版高中数学
必修第三册
第11章简单几何体 · 保留教材主线与原题
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.

图 11-2-1

图 11-2-2
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 .

图 11-2-3
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.
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?

(第 3 题)
其中, 为棱锥底面的面积, 为棱锥的高.
其中, 为底面半径.
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 4 如图 11-2-7,设正方体 的棱长为 . 求顶点 到面 的距离.
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: .
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.

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.

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.

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

图 11-2-12
由此得 .
其中, 为棱锥的底面积, 为棱锥的高.
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.

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 6 已知正三棱锥 的底面边长为 ,高为 . 求该三棱锥的表面积.

图 11-2-14
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 )
(1)求点 到平面 的距离;
(2)求三棱锥 的表面积.

(第 2 题)

(第 3 题)