本题导读

本题考查拟柱体(楔体)的体积,以及割补法求体积。

📌【题干】

Question

(2024年天津卷)一个五面体 .已知 ,且两两之间距离为 1.并已知 ,,.则该五面体的体积为 (  ) A.      B.      C.      D.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 提取核心不变量——“直截面”: 已知 为一组空间平行线。由于两两之间距离为 1,这意味着用一个与这三条侧棱严格垂直的平面去截它,所得到的截面三角形(直截面)的三条边长全部等于 1。因此,该几何体的直截面为边长为 1 的正三角形,其面积为 。
  2. 选择解题策略:
  • 策略一(倒置拼接法):侧棱长 1, 2, 3 成等差数列。可以复制一个相同的五面体,将其上下颠倒、长短相依地拼合在侧棱上。由于 ,两个五面体会组合成一个侧棱长恒等于 4 的标准柱体,体积为目标体积的两倍。
  • 策略二(二级结论法):直接套用斜截三棱柱(截角三棱柱)体积公式 ,利用三条侧棱的算术平均高度乘以直截面面积直接求解。

✅【答案】

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C

✍【详细解析】

Abstract

前期准备:精算直截面面积 因为 ,在空间中作一个与三条侧棱全量垂直的截面。由于平行线间的几何距离为 1,则该截面三角形的三边长均为 1,为等边三角形。 该直截面的面积为:

方法一:倒置拼接法(推荐)

该五面体的三条侧棱长分别为 1, 2, 3,满足等差对称性,即 。 复制一个与原几何体完全相同的五面体,将其在空间中进行倒置翻转,并与原五面体实施侧棱对接组装:

  • 将新五面体长度为 3 的侧棱拼在原五面体长度为 1 的侧棱 的延长线上,总长变为 ;

  • 将新五面体长度为 2 的侧棱拼在原五面体长度为 2 的侧棱 的延长线上,总长变为 ;

  • 将新五面体长度为 1 的侧棱拼在原五面体长度为 3 的侧棱 的延长线上,总长变为 。

此时,由于拼接后的三条侧棱长度全部相等且等于 4,且直截面形状未变,这两个不规则五面体组合成了一个侧棱长为 的标准正三棱柱。 该组合三棱柱的体积为:

因为该标准三棱柱是由两个完全全等的五面体拼接而成的,所以单个五面体的体积占总体积的一半:

方法二:截角三棱柱体积公式

在立体几何中,若一个几何体的三条侧棱相互平行、长度分别为 ,且直截面面积为 ,则该截角三棱柱的体积公式为: (其几何代数本质即用侧棱的“算术平均高度” 来等价代替标准柱体的高 )

直接将本题数据代入公式中,侧棱长 ,直截面面积 :

故选:C。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:平行线间直截面的正三角形判定、空间不规则几何体体积的对称组装化归、截角三棱柱平均高度体积公式。
  2. 核心方法:倒置全等拼接法、二级结论公式法。
  3. 避坑指南:
  • 避免繁琐割补计算:本题若采用常规割补法(如从高度 1 处横向水平切开,分为一个底面为正三角形的标准三棱柱和一个斜顶四棱锥),在考场上计算量较大,求解四棱锥的高时易因计算繁琐导致失误。优先考虑利用图形的对称特征进行整体拼接。
  • 混淆直截面与斜底面:避免误将 或 的面积当作柱体的底面积。由于侧棱长短不一,顶面与底面在空间中都是倾斜的,并非垂直于侧棱的净截面,不能直接用底面积乘以高。只有直截面才能作为基准面积。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题考查空间几何体的体积计算,属于不规则拟柱体的体积变形题。通过引入侧棱相互平行但长度不同的性质,考查空间几何结构的转化化归能力。
  2. 结论推广:截角三棱柱体积公式 具有普适性,不仅适用于侧棱长构成等差数列的特殊情况,当三条侧棱长度为任意正实数时,该公式依然成立。熟练掌握此类特殊多面体的二级结论,可以有效精简客观题的推导步骤。

🔗【关联脉络】

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