原题
原题:如图,矩形ABCD中,AB=2√3,AD=2,Q为BC的中点,点M,N分别在线段AB,CD上运动(其中M不与A,B重合,N不与C,D重合),且MN∥AD。沿MN将△DMN折起,得到三棱锥D-MNQ,则三棱锥D-MNQ体积的最大值为多少?当三棱锥D-MNQ体积最大时,其外接球的表面积为多少?
图一要想求出三棱锥D-MNQ体积的最大值,所以就要知道什么时候三棱锥D-MNQ体积的最大,即当面DMN垂直面MNQ的时候,该体积最大。
将三棱锥D-MNQ体积表示出来
不妨设BM=x,矩形ABCD中,AB=2√3,所以AB=CD,又因为MN∥AD,所以BM=CN=x,所以DN=2√3-x。
因为变形ABCD是矩形,所以CD垂直BC,又因为MN∥AD,所以CD垂直MN,又因为当面DMN垂直面MNQ的时候,该体积最大,所以该四面体D-MNQ的高为DN。
S△MNQ的面积为1/2·MN·BM=1/2·2·x=x。
所以根据三棱锥的体积有三棱锥D-MNQ体积V=1/3×S△MNQ×DN=1/3·x·(2√3-x),x∈(0,2√3)。
变形得到V=1/3×S△MNQ×DN=1/3·x·(2√3-x)=1/3(-x^2+2√3x)=-1/3(x-√3)^2+1,x∈(0,2√3),所以当x=√3时,三棱锥D-MNQ体积的最大,即为1。
所以要想三棱锥D-MNQ体积最大,DN不仅要垂直底面MNQ,N还要是CD的中点。而第二问就是在此时的三棱锥的状态,求此时三棱锥的外接球表面积。
所以第二问的关键是如何找到外接球的半径。
找到外接球的半径
此时的三棱锥,M,N是AB、CD的中点,所以MB=CN=√3,CQ=BQ=1,根据勾股定理有NQ=MQ=2,所以NQ=MQ=MN,所以三角形MNQ是等边三角形。
所以该三棱锥的图形如下:
图二如图,像这样的三棱锥,即四面体并没有一条边的所对应的两个角均为直角,怎么找到该四面体的外接球半径呢?
其实这里还隐藏着一个已知:DN是外接球上弦,该四面体的外接球的球心到该弦的距离是该弦的垂直平分线,该距离也和底面积MNQ的外接圆的半径是平行的。因为DN垂直底面积MNQ,所以DN也垂直底面积MNQ的外接圆的半径。
做出底面积MNQ的外接圆的圆心O1和半径r以及四面体D-MNQ的外接球的球心O2和半径R。
图三如图三,O1是三角形MNQ的外接圆圆心,O2是四面体D-MNQ的外接球球心,O2D和O2N就是外接球的半径,而O1N是三角形MNQ的外接圆的半径,O2P是球心到弦DN的距离,所以有O2P=O1N=r,O2D=O2N=R。
因为三角形MNQ是等边三角形,所以r=2×√3/2×2/3=2√3/3。
在直角三角形O2DP中,根据勾股定理有R^2=(DN/2)^2+r^2。
整理得到R^2=(√3/2)^2+(2√3/3)^2=3/4+4/3=25/12,所以R=5√3/6。
根据外接球的表面积公式S=4πR^2=4π×25/12=25π/3。
总结
这道题要想找到三棱锥D-MNQ,即四面体D-MNQ的外接球半径,只要出现的四面体的高为恰好在顶点的时候,该四面体的高就是该四面体外接球上的弦,根据弦就可以找到并求出该四面体的外接球的半径。
DEF分别是正四面体棱上的点且PE≠PF求四面体P-DEF体积?关键在这
高中:知道这些知识点,瞬间能找到三棱锥的高和外接球半径!
给出边和角的关系求△ABC内切圆半径?根据内心特点求半径?太复杂
高中:已知三角形两边长和第三边上中线长求周长?这隐藏一个已知
高中:四面体体积最大时求外接球半径?关键找球心,它们什么关系