本题导读
本题考查棱锥的体积公式、空间几何体的最值问题,以及相关运算的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2016年浙江卷(理)) 如图,在 中,,.若平面 外的点 和线段 上的点 满足 ,,则四面体 的体积的最大值是 .
🔍【思路分析】
破题导航
- 几何结构分析:由 且 ,可知 。这说明 可以看作是 绕直线 旋转而成。
- 体积目标确定:四面体 的体积 ,其中 是点 到平面 的距离。
- 极值位置判定:对于确定的点 ,底面积 为定值。当平面 平面 时,点 到平面 的距离 达到最大值,即等于 中点 到边 的距离。
- 建立函数关系:设 ,将底面积和高均表示为 的函数,进而构造体积函数 。
- 求最值:利用代数换元或导数工具求出 的最大值。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
解:
- 计算基准数据: 在 中,,。 由余弦定理得 。设 为 中点,则 ,。
表示高 与底面积 : 设 。则 。 底面积 。 在 中,点 到 的距离 (即体积最大时的锥高): 由面积相等 。 其中 。 则 。
构造体积函数: 利用 。 令 。 当 时,。 则体积函数简化为:。
求极值: 由于 在 上是单调递减函数。 当 (即 , 为 中点)时, 取得最大值:
故答案为
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
动态轨迹的捕捉:看到 和 ,应敏锐觉察到 的形状是固定的,只是在空间中“转动”。
体积最值的通用思路:将体积转化为单变量函数。本题难点在于 既影响底面也影响高,必须通过合理的代数换元(如令根号部分为 )来简化表达式。
几何直观:当 位于中点时,图形的对称性往往对应极值点。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 变式思考:若要求四面体 的体积最大值,结果会有变化吗?
- 提示:此时底面变为定值 ,只需考虑 到平面 的距离最大。
- 常用结论:在处理这类绕轴旋转求体积最值的题目中,面面垂直往往是高取最大值的临界条件。
🔗【关联脉络】
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