本题导读

本题结合圆柱形灯笼实际制作背景,考查几何体的表面积计算、二次函数最值求解,以及利用空间直角坐标系求解异面直线所成角。

📌【题干】

Question

(2010年上海卷(理)) 如图所示,为了制作一个圆柱形灯笼,先要制作 个全等的矩形骨架,总计耗用 米铁丝. 骨架将圆柱底面 等分,再用 平方米塑料片制成圆柱的侧面和下底面(不安装上底面).

(1) 当圆柱底面半径 取何值时, 取得最大值?并求出该最大值(结果精确到 平方米);

(2) 在灯笼内,以矩形骨架的顶点为端点,安装一些霓虹灯. 当灯笼底面半径为 米时,求图中两根直线型霓虹灯 、 所在异面直线所成角的大小(结果用反三角函数表示).

🔍【思路分析】

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  1. 第 (1) 问: 个全等的矩形骨架经过轴线,每个矩形的长为圆柱高 ,宽为圆柱底面直径 。由铁丝总长列出 与 的关系,将侧面积与下底面积之和 表示为关于 的二次函数,利用二次函数最值公式求解。
  2. 第 (2) 问:当 米时求出高 米。底面 等分,故 。建立空间直角坐标系,写出各顶点坐标与向量 ,利用向量夹角余弦公式求解异面直线所成角。

✅【答案】

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待补

✍【详细解析】

Abstract

(1) 求 的最大值及对应的半径

由题意, 个全等的矩形骨架均过圆柱轴线,每个矩形的宽为直径 ,高为 。 总铁丝长为 米: 解得:

侧面和下底面的面积之和 为:

因为 ,所以当 米时, 取得最大值:


(2) 求异面直线 与 所成角的大小

当 米时,高 米。

以下底面圆心 为原点,射线 为 轴正半轴,过 垂直于 的下底面射线 为 轴正半轴,轴线 向上为 轴正半轴,建立空间直角坐标系 。

由底面 等分可知 ,各点坐标为:

求出方向向量:

计算向量点积与模长:

设异面直线 与 所成的角为 :

所以,异面直线所成角的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:立体几何表面积建模与二次函数求最值;建系用向量夹角求异面直线所成角。
  2. 核心方法:
  • 侧面积加下底面积公式 ;
  • 配方法求二次函数最值;
  • 异面直线所成角公式 。
  1. 避坑指南:第 (1) 问注意塑料片不包含上底面,定义域 需标明;第 (2) 问向量点积取绝对值确保余弦值为非负数。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:上海卷应用建模与立体几何综合压轴题。
  2. 结论推广:对圆柱内过 圆心角对应顶点的对角线异面直线,其夹角余弦值满足 。

🔗【关联脉络】

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