本题导读
本题考查三视图还原几何体以及空间几何体极值问题,重点检验将立体几何切削问题转化为函数最值(或均值不等式)求解的能力。
📌【题干】
Question
(2015年湖南卷(理)) 某工件的三视图如图所示,现将该工件通过切削,加工成一个体积尽可能大的长方体新工件,并使新工件的一个面落在原工件的一个面内,则原工件材料的利用率为(材料的利用率 ) ()
A. B. C. D.
🔍【思路分析】
破题导航
- 由三视图确定原工件为底面半径 、高 的圆锥。
- 新工件为内接于圆锥的长方体,且底面落在圆锥底面上。
- 设内接长方体高为 ,底面矩形长宽分别为 ,利用相似三角形建立 的关系式,表示出长方体体积。
- 利用均值不等式求出长方体体积最大值,进而计算材料利用率。
✅【答案】
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A
✍【详细解析】
Abstract
由三视图可知,原工件为一个圆锥,底面直径为 (半径 ),高 。 原工件体积为: 。
设切削出的长方体高为 (),其底面矩形落在圆锥底面上。 设底面矩形的长为 ,宽为 ,则矩形外接圆半径为 。 由轴截面相似三角形性质可得: 。
由基本不等式 ,可得 (当且仅当 即底面为正方形时等号成立)。
则长方体体积为: 。
因为 为定值,由均值不等式可得: 。 当且仅当 时取等号。
此时长方体最大体积为: 。
因此,原工件材料的利用率为: 。
故选 A
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:三视图还原、圆锥内接几何体极值问题、均值不等式求最值。
- 核心方法:模型转化(圆锥内接长方体最值归结为正方形截面)与均值不等式凑项法。
- 避坑指南:设长方体底面边长时,易忽略正方形底面体积最大这一结论;在运用均值不等式时,需注意配系数凑出定值和 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于工程应用中的“最大材料利用率”问题,本质是古典立体几何的最值最优化模型。
- 结论推广:对任意高为 、底面半径为 的圆锥,其内接长方体的最大体积发生在底面为正方形且高 时,其最大体积为 ;内接长方体体积与圆锥体积的最大比值恒为 。
🔗【关联脉络】
Multi column
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