| 8.3.1 棱柱、棱锥、棱台的表面积和体积 题目答案及解析

稿件来源:高途

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必修二

第八章 立体几何初步

8.3 简单几何体的表面积与体积

8.3.1 棱柱、棱锥、棱台的表面积和体积

已知一个正四面体$QPTR$和一个正八面体$AEFBHC$的棱长都是$a$(如图),把它们拼接起来,使它们一个表面完全重合,得到一个新多面体.

$(1)$求新多面体的表面积和体积;

$(2)$求正八面体$AEFBH$中二面角$A-BF-C$的大小.

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$(1)$$\\dfrac{5\\sqrt{3}{a}^{2}}{2}$$\\dfrac{5\\sqrt{2}{a}^{3}}{12}$$(2)$$\\arccos \\left(-\\dfrac{1}{3}\\right)$

"]]

$(1)$由题意可知,组合体一共十个面,且十个面都是全等的等边三角形,且边长为$a$

则表面积为$S=10\times \dfrac{\sqrt{3}}{4}{a}^{2}=\dfrac{5\sqrt{3}}{2}{a}^{2}$

分别取$QR$$PT$的中点$G$$N$,连接$NQ$$NR$$NG$,如下图所示:

$\because PQ=QT$$N$$PT$的中点,则$QN\perp PT$$NQ=\dfrac{\sqrt{3}}{2}a$

同理可知$NQ\perp PT$$NQ=\dfrac{\sqrt{3}}{2}a$

$\because NQ\cap NR=N$

$\therefore PT\perp$平面$NQR$

$\because G$$QR$的中点,则$NG\perp QR$,且$NG=\sqrt{N{Q}^{2}-Q{G}^{2}}=\sqrt{\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}a\right)^{2}-\left(\dfrac{a}{2}\right)^{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}a$

${S}_{\triangle NQR}=\dfrac{1}{2}QR\cdot NG=\dfrac{1}{2}\times a\times \dfrac{\sqrt{2}}{2}a=\dfrac{\sqrt{2}}{4}{a}^{2}$

$\therefore $ 正四面体$Q-PRT$的体积为${V}_{1}=\dfrac{1}{3}{S}_{\triangle QNR}\cdot PT=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{\sqrt{2}}{4}{a}^{2}\times a=\dfrac{\sqrt{2}}{12}{a}^{3}$

如下图所示:

在正八面体中,连接$AC$交平面$EFBH$于点$O$,则$AO\perp$平面$EFBH$

$\therefore {S}_{EFBG}={a}^{2}$$AO=\sqrt{A{E}^{2}-O{E}^{2}}=\sqrt{{a}^{2}-\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}a\right)^{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}a$

$\therefore $ 正八面体的体积为${V}_{2}=2\times \dfrac{1}{3}\times {S}_{EFBG}\times AO=2\times \dfrac{1}{3}\times {a}^{2}\times \dfrac{\sqrt{2}}{2}a=\dfrac{\sqrt{2}}{3}{a}^{3}$

$\because $ 新多面体体积为原正四面体体积$V_{1}$与正八面体体积$V_{2}$之和,

$\therefore $ 新多面体的体积为$V={V}_{1}+{V}_{2}=\dfrac{5\sqrt{2}{a}^{3}}{12}$

$(2)$如图,在正八面体中,取$BF$的中点为$M$,连接$AM$$CM$

$\because AB=AF$$M$$BF$的中点,则$AM\perp BF$,且$AM=\dfrac{\sqrt{3}}{2}a$

同理可知$CM\perp BF$,且$CM=\dfrac{\sqrt{3}}{2}a$

$\therefore \angle AMC$为二面角$A-BF-C$的平面角.

$\because AC=2AO=2\sqrt{A{E}^{2}-O{E}^{2}}=\sqrt{{a}^{2}-\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}a\right)^{2}}=\sqrt{2}a$

由余弦定理得$\cos \angle ADC=\dfrac{M{A}^{2}+M{C}^{2}-A{C}^{2}}{2MA\cdot MC}=-\dfrac{1}{3}$

故二面角$A-BF-C$的大小为$\arccos \left(-\dfrac{1}{3}\right)$

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