转着看 · 换个机位再判断
三视图还原出的组合体:长方体 4 × 4 × 2 = 32 4 \times 4 \times 2 = 32 4 × 4 × 2 = 32 坐在四棱台(下底 8 × 8 8 \times 8 8 × 8 、上底 4 × 4 4 \times 4 4 × 4 、高 3 3 3 ,V = 3 3 ( 16 + 32 + 64 ) = 112 V = \frac{3}{3}\left(16 + 32 + 64\right) = 112 V = 3 3 ( 16 + 32 + 64 ) = 112 )上·相加 V = 144 V = 144 V = 144 立方厘米
机位 1 题图角度 2 正对 下底面(8 × 8 8 \times 8 8 × 8 ,面积 64 64 64 ) 3 沿 下底面(8 × 8 8 \times 8 8 × 8 ,面积 64 64 64 ) 看 4 俯视 自由视角 拖动旋转 · 滚轮缩放(触屏双指)
冷启动:先把立体还原出来,算只是最后一步
这道题的难点不在算 ,在还原 。三张视图给的信息是这样的:
正视图与侧视图长得一模一样 :上面一个宽 4 4 4 、高 2 2 2 的矩形,下面一个上底 4 4 4 、下底 8 8 8 (标注写成 2 + 4 + 2 2+4+2 2 + 4 + 2 )、高 3 3 3 的等腰梯形;
俯视图 是一个边长 8 8 8 的正方形,里面套着一个边长 4 4 4 的正方形,四个角用斜线连起来。
三句话把它拼回去。
第一句:横分界线说明它是上下两层。 正视图与侧视图上那条把矩形和梯形分开的横线,高度都是 2 2 2 (从顶往下数),两张图上的高度对得齐 ——这正是「高平齐」。于是可以沿这条线把三张视图同时切成上下两段,每段各自还原一次。
第二句:上层是长方体,下层是四棱台 。 上段:正视图、侧视图都是宽 4 4 4 的矩形,俯视图是那个边长 4 4 4 的内正方形 —— 一个 4 × 4 × 2 4\times4\times2 4 × 4 × 2 的长方体。下段:正视图、侧视图都是等腰梯形,俯视图是「大正方形套小正方形 + 四条斜线」,那四条斜线就是四个侧面的投影 —— 一个下底 8 × 8 8\times8 8 × 8 、上底 4 × 4 4\times4 4 × 4 、高 3 3 3 的四棱台 。原卷的解析也正是这么说的:「图为一四棱台 和长方体的组合体的三视图 」。
第三句:别把俯视图上的 2 2 2 当成高。 俯视图上纵向标的 2 + 4 + 2 2+4+2 2 + 4 + 2 是水平方向 的尺寸——它说的是上底正方形每边比下底缩进 2 2 2 ,而不是台有多高。台的高 3 3 3 只能从正视图(或侧视图)竖直方向的标注读。三个方向的尺寸各有各的读法,串了就整道题错一个倍数(易错点「三视图的深度错当成高 」)。
还原出来的立体是这样:
解法一:原卷路线——沿那条横分界线把三张视图一起切开,上下各套一条公式
上层:长方体。
V 1 = 4 × 4 × 2 = 32. V_{1}=4\times4\times2=32 . V 1 = 4 × 4 × 2 = 32.
下层:四棱台 。 上底面积 S ′ = 4 2 = 16 S'=4^{2}=16 S ′ = 4 2 = 16 ,下底面积 S = 8 2 = 64 S=8^{2}=64 S = 8 2 = 64 ,高 h = 3 h=3 h = 3 。由柱体、锥体、台体的体积中台体那一条,
V 2 = h 3 ( S ′ + S ′ S + S ) = 3 3 ( 16 + 16 × 64 + 64 ) = 16 + 32 + 64 = 112. V_{2}=\frac{h}{3}\left(S'+\sqrt{S'S}+S\right)
=\frac{3}{3}\left(16+\sqrt{16\times64}+64\right)
=16+32+64=112 . V 2 = 3 h ( S ′ + S ′ S + S ) = 3 3 ( 16 + 16 × 64 + 64 ) = 16 + 32 + 64 = 112.
中间那一项 S ′ S = 16 × 64 = 1024 = 32 \sqrt{S'S}=\sqrt{16\times64}=\sqrt{1024}=32 S ′ S = 16 × 64 = 1024 = 32 ,也就是两条底边长之积 4 × 8 4\times8 4 × 8 。
相加。
V = V 1 + V 2 = 32 + 112 = 144 ( c m 3 ) . V=V_{1}+V_{2}=32+112=144\ \left(\mathrm{cm}^{3}\right) . V = V 1 + V 2 = 32 + 112 = 144 ( cm 3 ) .
两个最常见的错法,都栽在中间那一项上。
漏掉 S ′ S \sqrt{S'S} S ′ S ,写成 h 2 ( S ′ + S ) = 3 2 × 80 = 120 \dfrac{h}{2}(S'+S)=\dfrac{3}{2}\times80=120 2 h ( S ′ + S ) = 2 3 × 80 = 120 :这等于把台体当成了「上下底面积取平均的柱体」。可台体在高度 z z z 处的横截面面积是A ( z ) = ( 8 − 4 3 z ) 2 A(z)=\left(8-\dfrac{4}{3}z\right)^{2} A ( z ) = ( 8 − 3 4 z ) 2 ,是 z z z 的二次式且二次项系数 16 9 > 0 \dfrac{16}{9}>0 9 16 > 0 ,开口向上 ;这样的曲线整段都落在它两端连线的下方 ,所以「取两端平均」一定偏大 ——120 > 112 120>112 120 > 112 ,正好差了 8 8 8 。
把台套成锥 ,写成 1 3 S h = 1 3 × 64 × 3 = 64 \dfrac13Sh=\dfrac13\times64\times3=64 3 1 S h = 3 1 × 64 × 3 = 64 :锥体公式里的 h h h 必须是从顶点 量起的高,而这个台根本没有顶点——3 3 3 是两底之间的距离,代进去既不是台也不是锥(易错点「台体套成锥体 」)。
解法二:不背台体公式——把台补回成棱锥,大锥减小锥
怎么想到的。 棱台 的定义就是「棱锥被平行于底面的平面截出来的那一段」。把被截掉的那个小锥补回去 ,台体就变成两个棱锥之差,而棱锥的体积公式只有 1 3 S h \dfrac13Sh 3 1 S h 一条,不必再记台体那条三项式。
延长侧棱,定出大锥的高。 四条侧棱延长后交于一点 K K K 。截面(上底)平行于底面,所以小锥与大锥相似 ,相似比等于对应底边之比:
4 8 = 1 2 . \frac{4}{8}=\frac12 . 8 4 = 2 1 .
相似比 1 2 \dfrac12 2 1 意味着小锥的高也是大锥的一半。设大锥高为 H H H ,则小锥高为 H 2 \dfrac{H}{2} 2 H ,而两者之差正是台的高:
H − H 2 = 3 ⟹ H = 6 , H 2 = 3. H-\frac{H}{2}=3
\quad\Longrightarrow\quad
H=6,\qquad \frac{H}{2}=3 . H − 2 H = 3 ⟹ H = 6 , 2 H = 3.
两个锥相减。
V 大 = 1 3 × 8 2 × 6 = 128 , V 小 = 1 3 × 4 2 × 3 = 16 , V_{\text{大}}=\frac13\times 8^{2}\times 6=128,
\qquad
V_{\text{小}}=\frac13\times 4^{2}\times 3=16, V 大 = 3 1 × 8 2 × 6 = 128 , V 小 = 3 1 × 4 2 × 3 = 16 ,
V 2 = 128 − 16 = 112. V_{2}=128-16=112 . V 2 = 128 − 16 = 112.
与解法一一致。再加上长方体的 32 32 32 ,得 144 144 144 。
这条路顺带把「为什么不能取平均」讲明白了。 大锥与小锥的体积比是相似比的立方 ( 1 2 ) 3 = 1 8 \left(\dfrac12\right)^{3}=\dfrac18 ( 2 1 ) 3 = 8 1 ,即 128 : 16 128:16 128 : 16 。体积按立方缩,面积按平方缩 ——正是这个「不同步」让台体的体积落不在两底的线性插值上。
解法三:把台切成一根柱、四块楔、四个角锥——顺带把那条公式算了出来
怎么想到的。 前两条路都要先记住点什么(台体公式,或「台是锥截出来的」)。其实可以什么都不记 :把这个四棱台 按上底的四条边竖直切下去,它就散成九块最基本的立体。设下底是 [ − 4 , 4 ] × [ − 4 , 4 ] [-4,4]\times[-4,4] [ − 4 , 4 ] × [ − 4 , 4 ] (z = 0 z=0 z = 0 )、上底是 [ − 2 , 2 ] × [ − 2 , 2 ] [-2,2]\times[-2,2] [ − 2 , 2 ] × [ − 2 , 2 ] (z = 3 z=3 z = 3 )。
第一块:正中间的正四棱柱 。 上底那个 4 × 4 4\times4 4 × 4 的正方形竖直向下拉到底面,得到一根底面 4 × 4 4\times4 4 × 4 、高 3 3 3 的柱:
V 柱 = 4 × 4 × 3 = 48. V_{\text{柱}}=4\times4\times3=48 . V 柱 = 4 × 4 × 3 = 48.
(它确实整根都在台内:台在高度 z z z 处的横截面是边长 8 − 4 3 z 8-\dfrac43z 8 − 3 4 z 的正方形——z = 0 z=0 z = 0 时是 8 8 8 、z = 3 z=3 z = 3 时是 4 4 4 ——在 [ 0 , 3 ] [0,3] [ 0 , 3 ] 上始终 ⩾ 4 \geqslant4 ⩾ 4 ,罩得住这根边长 4 4 4 的柱。)
第二块:四条边上各一块楔。 以右边那块为例,它由 2 ⩽ x ⩽ 4 − 2 3 z 2\leqslant x\leqslant 4-\dfrac23z 2 ⩽ x ⩽ 4 − 3 2 z 、− 2 ⩽ y ⩽ 2 -2\leqslant y\leqslant2 − 2 ⩽ y ⩽ 2 、0 ⩽ z ⩽ 3 0\leqslant z\leqslant3 0 ⩽ z ⩽ 3 围成:沿 y y y 方向的每一个截面都是同一个直角三角形 (两条直角边是 2 2 2 与 3 3 3 ),所以它是一个躺着的三棱柱,长 4 4 4 :
V 楔 = 1 2 × 2 × 3 × 4 = 12 , 4 块共 48. V_{\text{楔}}=\frac12\times2\times3\times4=12 ,
\qquad
4\ \text{块共}\ 48 . V 楔 = 2 1 × 2 × 3 × 4 = 12 , 4 块共 48.
第三块:四个角上各一个棱锥。 以右后那个角为例,它由 2 ⩽ x ⩽ 4 − 2 3 z 2\leqslant x\leqslant 4-\dfrac23z 2 ⩽ x ⩽ 4 − 3 2 z 、2 ⩽ y ⩽ 4 − 2 3 z 2\leqslant y\leqslant4-\dfrac23z 2 ⩽ y ⩽ 4 − 3 2 z 围成:在高度 z z z 处是一个边长 2 − 2 3 z 2-\dfrac23z 2 − 3 2 z 的正方形,到 z = 3 z=3 z = 3 缩成一个点。这正是一个以 [ 2 , 4 ] × [ 2 , 4 ] [2,4]\times[2,4] [ 2 , 4 ] × [ 2 , 4 ] 为底、以点 ( 2 , 2 , 3 ) (2,2,3) ( 2 , 2 , 3 ) 为顶的棱锥 ,底面积 2 × 2 = 4 2\times2=4 2 × 2 = 4 、高 3 3 3 :
V 角 = 1 3 × 4 × 3 = 4 , 4 个共 16. V_{\text{角}}=\frac13\times4\times3=4 ,
\qquad
4\ \text{个共}\ 16 . V 角 = 3 1 × 4 × 3 = 4 , 4 个共 16.
拼起来。
V 2 = 48 + 48 + 16 = 112. V_{2}=48+48+16=112 . V 2 = 48 + 48 + 16 = 112.
加上长方体的 32 32 32 ,仍是 144 144 144 。
这一刀切出来的就是台体公式本身。 把上面三块用一般的字母写一遍(下底边 a a a 、上底边 b b b 、高 h h h ):
b 2 h ⏟ 柱 + 4 ⋅ 1 2 ⋅ a − b 2 ⋅ h ⋅ b ⏟ 四块楔 = ( a − b ) b h + 4 ⋅ 1 3 ⋅ ( a − b 2 ) 2 h ⏟ 四个角锥 = ( a − b ) 2 h 3 = h 3 ( a 2 + a b + b 2 ) , \underbrace{b^{2}h}_{\text{柱}}
+\underbrace{4\cdot\frac12\cdot\frac{a-b}{2}\cdot h\cdot b}_{\text{四块楔}\ =\ (a-b)bh}
+\underbrace{4\cdot\frac13\cdot\left(\frac{a-b}{2}\right)^{2}h}_{\text{四个角锥}\ =\ \frac{(a-b)^{2}h}{3}}
=\frac{h}{3}\left(a^{2}+ab+b^{2}\right) , 柱 b 2 h + 四块楔 = ( a − b ) bh 4 ⋅ 2 1 ⋅ 2 a − b ⋅ h ⋅ b + 四个角锥 = 3 ( a − b ) 2 h 4 ⋅ 3 1 ⋅ ( 2 a − b ) 2 h = 3 h ( a 2 + ab + b 2 ) ,
而 a 2 = S a^{2}=S a 2 = S 、b 2 = S ′ b^{2}=S' b 2 = S ′ 、a b = S ′ S ab=\sqrt{S'S} ab = S ′ S ——台体那条公式就是这么来的。
但别把对应关系认得太死。 展开看一眼:
b 2 h ⏟ 柱 + a b h − b 2 h ⏟ 楔 + a 2 h 3 − 2 a b h 3 + b 2 h 3 ⏟ 角锥 = a 2 h 3 + a b h 3 + b 2 h 3 , \underbrace{b^{2}h}_{\text{柱}}
+\underbrace{abh-b^{2}h}_{\text{楔}}
+\underbrace{\frac{a^{2}h}{3}-\frac{2abh}{3}+\frac{b^{2}h}{3}}_{\text{角锥}}
=\frac{a^{2}h}{3}+\frac{abh}{3}+\frac{b^{2}h}{3} , 柱 b 2 h + 楔 abh − b 2 h + 角锥 3 a 2 h − 3 2 abh + 3 b 2 h = 3 a 2 h + 3 abh + 3 b 2 h ,
没有哪一块单独贡献 S ′ S \sqrt{S'S} S ′ S 这一项 :a b h 3 \frac{abh}{3} 3 abh 是楔给的 + a b h +abh + abh 与角锥给的 − 2 3 a b h -\frac23abh − 3 2 abh 合出来的。所以「漏掉中间那一项」并不等于「把四块楔丢了」——真丢了楔,剩下的是 b 2 h + ( a − b ) 2 h 3 b^{2}h+\frac{(a-b)^{2}h}{3} b 2 h + 3 ( a − b ) 2 h 。
顺带一个只在本题成立的巧合。 b 2 h + ( a − b ) 2 h 3 = a 2 h 3 b^{2}h+\frac{(a-b)^{2}h}{3}=\frac{a^{2}h}{3} b 2 h + 3 ( a − b ) 2 h = 3 a 2 h 当且仅当 3 b 2 + ( a − b ) 2 = a 2 3b^{2}+(a-b)^{2}=a^{2} 3 b 2 + ( a − b ) 2 = a 2 ,即 a = 2 b a=2b a = 2 b 。本题恰好 8 = 2 × 4 8=2\times4 8 = 2 × 4 ,于是「丢了四块楔」与「把台套成锥」撞在同一个错值 64 64 64 上。换一组尺寸这两个错值就分开了。