文科立體幾何求體積題目中常用的轉化法

2020-12-14 曹老師的高中數學課

在使用全國卷的省份中文科數學立體幾何大題第二問一般是考查與體積相關的問題,有關體積的求法常用的思路有以下三種:

1.選擇適合的面做底,合適的線段作高直接求出體積,或者通過輔助線作出所需的高線,求出所需的長度

2.割補法

3.轉化法

今天重點說一下轉化法中的類型,具體題目不再給出,手頭上也沒有對應配套的題目

轉化一:轉化頂點法

這裡的轉化頂點法又可以分為兩種,第一是不改變錐體的頂點,通過轉化頂點可以將一個不好求體積的錐體轉化為規則的可求體積的錐體,例如三稜錐P-ABC可轉化為A-PBC,第二,轉化頂點法也可以改變本來錐體的頂點,比如讓求三稜錐P-ABC的體積,但是高並不好求,即便是轉化頂點也不好求,那麼我們可以把頂點P放到一個與底面平行的平面上,在這個平面上的任意一點到底面的距離都是高而且每條都相等,這樣在從中選取一個容易求高的點即可,此時三稜錐P-ABC的體積可轉化為Q-ABC,例如下面的題目:

在正方體ABCD-A'B'C'D'中,點F和點E分別是CD和BB『的中點,求三稜錐E-A'D'F的體積,在本題目中即可使使用轉化頂點法也可以使用轉化底面法,如果轉化頂點,若選取CC'的中點G,因為EG∥平面A'D'F所以點E和點G到平面A'D'F的距離都相等,所以都可作為三稜錐的高,如果轉化之後,體積即為三稜錐G-A'D'F的體積,很容易求出。

轉化二:轉化底面

依舊利用上題的圖像,轉化底面的意思是將底面三角形擴大,從擴大的平面內找到一個與原來底面面積相等的三角形,這樣既保證了底面積不變同時保證了高不變,如下圖,題目中我們就可以將三角形A'D'F延伸,因為三角形A'GF和三角形A'D'F全等且共面,因此體積可以等價於三稜錐E-A'FG的體積,很容易求出

轉化三:根據比值進行轉化

這種轉化方式很容易理解,例如在四稜錐P-ABCD中,可以將底面拆分成兩個三角形的和,或者利用相似能夠得知兩個三角形邊長或面積的比值,加之同高,所以求得其中一個一個小三稜錐的體積即可求出整個的體積,舉一個文科數學中考過的題目為例:

如下圖:四稜錐P-ABCD中,側面PAD是邊長為2的正三角形,底面ABCD為菱形,∠DAB=60°

(1)證明PB⊥AD

(2)若PB=3,求四稜錐P-ABCD的體積

題目中第一問很容易證明,如果我們把第一問當作結論,在第二問中AF並不是四稜錐的高,所以我們可以通過輔助線作出四稜錐真正的高線,這種方法不再給出,但是如果不通過輔助線能否直接求出體積?

如果連接BD,底面ABCD可拆分成三角形ABF和四邊形BFDC,很容易得知ABF和BFDC的面積是1:4,另外在三稜錐P-ABF中因為AF垂直平面PBF,所以我們可把AF當作三稜錐A-PBF的高,三角形PBF作底,即可求出體積,從而求出整個的體積,這種方法也算是割補法中的一種,只是把一個不容易求得的錐體體積轉化到另外一個可求體積的錐體中。

最後:有學生可能會問到在第二個轉化過程中如果把三角形面擴展之後面與邊長的交點位置如何確定,其實這個問題很簡單,看下圖:

如果把三角形面ABC擴展,我們可以選用一條邊BC,因為經過BC的平面有無數個,而其中只有一個與ABC共面,因此我們從B點或C點做一條與AC或AB平行的直線,從上面找點即可,這樣就可以保證延伸之後的面與ABC依舊保持共面。

無論是文科生還是理科生,最後一個多月的時間希望能堅持下去,認真對待每一天。

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