浙江 2016 · 数学 q11

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2016 · 数学 q11 原卷截图(含答案)

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题面

11.(6分)(2016•浙江)某几何体的三视图如图所示(单位:cm),则该几何体的表面积是    cm2\mathrm{cm}^{2},体积是    cm3\mathrm{cm}^{3}

答案

72,32

本题的知识树

3 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 2 套路 · 1 易错点 · 最深 2 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

四个小正方体、三处粘合:面数 24−6=18,体积 4×2³ · 最终答案:72,32

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4 个棱长 2 cm 的小正方体拼成的几何体

机位自由视角

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冷启动:三张视图都是「L」,格子边长都是 2

卷面给的三张视图,每一张都由三个边长 2 cm2\,\mathrm{cm} 的小正方形拼成一个「L」:

  • 正视图(从前往后看,横轴是左右、纵轴是高):下面一排两格,右上再叠一格;
  • 侧视图(从侧面看,横轴是进深、纵轴是高):同样是下面一排两格、上面一格;
  • 俯视图(从上往下看,横轴是左右、纵轴是进深):一列两格,旁边再挂一格。

三张视图的每一格都是 2×22\times 2,所以这个几何体是由棱长 2 cm2\,\mathrm{cm} 的小正方体拼起来的。 问题只剩两个:拼了几块,以及块与块粘住了几处。

把三个方向的格点信息合起来(详见解法一第一步),得到的摆法是: 底层三块摆成一个「L」,其中一块的正上方再叠一块,一共 4 块。

上下两块教学图。①上块分左右两部分。左边把卷面那三张视图按格子重画:左上是「正视图」,由三个灰色方格拼成——下面一排两格,右上再叠一格;它右边是「侧视图」,形状相同;左下是「俯视图」,也是三个方格拼成的 L(左边一列两格,右上再挂一格)。三张图的左上方灰字写「每格边长 2」,每张图下方灰字标着它的名字。右边是还原出来的立体,用斜二测画成四个小正方体:底层三块摆成一个 L,右后那一块的正上方再叠一块,顶面最浅、正面较深、右侧面最深,棱线深蓝。立体下方蓝字写「4 个小正方体,粘合 3 处」,再往下黑字两行写「三张视图各是一个「L」」「立体是三处粘合的四连方」。这一块的标题写「① 三视图还原:4 个棱长 2 的小正方体,两两相邻处共 3 面粘住」。②下块是一段文字:抬头「体积:块数乘一块的体积,粘不粘都一样」,绿字一行「V=4\times 2^{3}=32」;再一个抬头「表面积:先按散开算,再扣掉粘住的」,蓝字一行「散开时共 4\times 6=24 个正方形面」,灰字一行「粘合 3 处,每处把两块各一个面盖住,共少露 2\times 3=6 个」,蓝字一行「露在外面 24-6=18 个面,每个面 2^{2}=4」,绿字一行「S=2^{2}\times(24-6)=72」,灰字一行「另一条路:三张视图各 3 格,S=2\times 9\times 2^{2}=72——同一个数」,最后一行绿字写「表面积 72\,\mathrm{cm}^{2},体积 32\,\mathrm{cm}^{3}」

解法一:还原成四个小正方体,散开数面再扣粘合

第一步:把三张视图拼成一个摆法

以小正方体的棱长 2 cm2\,\mathrm{cm} 为一格,建立格点坐标 (x,y,z)(x,y,z):xx 向右、yy 向后(进深)、zz 向上。

  • 俯视图告诉我们底面占哪些格:三格,摆成 L,记作 (0,0)(0,0)、(0,1)(0,1)、(1,1)(1,1)。
  • 正视图告诉我们每一列 xx 有多高:x=0x=0 那列高 11 格,x=1x=1 那列高 22 格。
  • 侧视图告诉我们每一排 yy 有多高:y=0y=0 那排高 11 格,y=1y=1 那排高 22 格。

逐格定高:格 (0,0)(0,0) 受 x=0x=0 与 y=0y=0 两个限制,高不超过 11;格 (0,1)(0,1) 受 x=0x=0 与 y=1y=1 限制, 高不超过 min⁡(1,2)=1\min(1,2)=1;格 (1,1)(1,1) 受 x=1x=1 与 y=1y=1 限制,高不超过 22。 而正视图 x=1x=1 那列确实要出现高 22,只能由格 (1,1)(1,1) 提供,所以它就是 22。于是三格的高依次是 1,1,21,1,2,共

1+1+2=4 块.1+1+2=4\ \text{块}.

摆法:(0,0,0)(0,0,0)、(0,1,0)(0,1,0)、(1,1,0)(1,1,0) 三块在底层,(1,1,1)(1,1,1) 叠在第三块上面。

第二步:体积——粘不粘都一样

体积是可加的,粘合不改变总量。一块小正方体(一个正四棱柱,底面积 222^{2}、高 22)的体积是 23=82^{3}=8,故

V=4×23=32 (cm3).V=4\times 2^{3}=32\ (\mathrm{cm}^{3}).

第三步:表面积——先按散开算

四块互不相碰时,每块 66 个面,共

4×6=24 个正方形面.4\times 6=24\ \text{个正方形面}.

第四步:找出粘合处,每处扣两个面

两块相邻(共一个面)就算一处粘合。按第一步的摆法逐对检查:

  • (0,0,0)(0,0,0) 与 (0,1,0)(0,1,0):yy 差 11,其余相同——相邻;
  • (0,1,0)(0,1,0) 与 (1,1,0)(1,1,0):xx 差 11,其余相同——相邻;
  • (1,1,0)(1,1,0) 与 (1,1,1)(1,1,1):zz 差 11,其余相同——相邻;
  • 其余三对((0,0,0)(0,0,0) 与 (1,1,0)(1,1,0)、(0,0,0)(0,0,0) 与 (1,1,1)(1,1,1)、(0,1,0)(0,1,0) 与 (1,1,1)(1,1,1))都差两个坐标,不相邻。

共 33 处粘合。每处把两块各一个面藏进内部,所以少露

2×3=6 个面.2\times 3=6\ \text{个面}.

这一步的坑就在这个 22。 一处粘合藏起的是两个面而不是一个,只扣一次会多算 12 cm212\,\mathrm{cm}^{2}。

第五步:合账

露在外面的面共 24−6=1824-6=18 个,每个面的面积是 22=4 cm22^{2}=4\ \mathrm{cm}^{2},故

S=22×(24−6)=4×18=72 (cm2).S=2^{2}\times(24-6)=4\times 18=72\ (\mathrm{cm}^{2}).

答案:表面积 72 cm272\,\mathrm{cm}^{2},体积 32 cm332\,\mathrm{cm}^{3}。

解法二:不拼立体,直接对着三张视图算

这条路把「还原」压到最低限度:表面积完全不用知道块与块怎么粘。

第一步:一个几乎白送的结论

对一个每条平行于坐标轴的直线与它相交都只得到一条线段的立体(没有洞、没有悬空的断层),

S=2(S正视图+S侧视图+S俯视图).S=2\left(S_{\text{正视图}}+S_{\text{侧视图}}+S_{\text{俯视图}}\right).

为什么:把表面按外法向分成六族——朝前、朝后、朝左、朝右、朝上、朝下。 沿 yy 方向看过去,每条直线穿进去一次、穿出来一次,所以「朝前的面」总面积 恰等于正视图的面积,「朝后的面」也是;左右两族各等于侧视图的面积,上下两族各等于俯视图的面积。 六族一加就是上式。

这个立体满足条件:底层是连通的一片,唯一的第二层压在底层某一格的正上方, 任何一条竖直线穿过它得到的都是一段连续的柱子;水平方向同理。

第二步:三张视图的面积

每张视图都是三格,每格 2×2=4 cm22\times 2=4\ \mathrm{cm}^{2},故

S正视图=S侧视图=S俯视图=3×4=12 (cm2).S_{\text{正视图}}=S_{\text{侧视图}}=S_{\text{俯视图}}=3\times 4=12\ (\mathrm{cm}^{2}).

第三步:表面积一步到位

S=2×(12+12+12)=2×36=72 (cm2).S=2\times(12+12+12)=2\times 36=72\ (\mathrm{cm}^{2}).

和解法一分毫不差,而且没数过一处粘合。

第四步:体积——给俯视图的每一格标上高

体积这一半绕不开高度信息,但也不必把立体在脑子里立起来, 只要在俯视图的每一格上写一个数(那一格上摞了几层):

  • 格 (0,0)(0,0):受正视图 x=0x=0 列高 11 与侧视图 y=0y=0 排高 11 的限制,写 11;
  • 格 (0,1)(0,1):受正视图 x=0x=0 列高 11 的限制,写 11;
  • 格 (1,1)(1,1):正视图 x=1x=1 列高 22、侧视图 y=1y=1 排高 22,写 22。

(每格取两个方向限制中较小的那个;再检查一遍每一列、每一排的最大值确实等于视图给的高, 上面这组数正好都对上。)三个数一加得 1+1+2=41+1+2=4,故

V=4×23=32 (cm3).V=4\times 2^{3}=32\ (\mathrm{cm}^{3}).

答案:表面积 72 cm272\,\mathrm{cm}^{2},体积 32 cm332\,\mathrm{cm}^{3}。

回头看:两条路各自强在哪儿

解法一是通法,代价是必须真把立体拼出来。好处是拼出来之后什么都能问: 表面积、体积、外接球、某两条棱的夹角……而且「散开数面再扣粘合」这一招 对任何组合体都成立,不要求形状规整。

解法二的表面积那一步几乎不花力气,因为它把「表面」按六个朝向分了族, 每一族的面积就是一张视图——三视图本来就是这三对投影。 它的适用范围窄一些:立体不能有洞、不能有悬空的断层, 否则一条直线会穿进穿出好几次,公式就不成立了(这个前提在第一步里已经逐条验过)。

两条路的共同前提只有一件事:读懂三张视图各自量的是哪两个方向。 正视图的横轴是左右、侧视图的横轴是进深,两者的纵轴才都是高。 把侧视图的横轴当成高,拼出来的会是另一个立体,两个答案一起错—— 这是三视图题最常见的翻车方式。

一句话记住这道题:几块小正方体拼起来,体积直接乘块数; 表面积先按散开算 66 面一块,再按每处粘合扣掉 22 个面。

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