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巧用补形法研究四面体问题

作者:***

来源:《数学教学通讯·高中版》2020年第11期

摘要[]立体几何问题中,有一类问题可以通过补形法,得到一个常见的几何体,使复杂

的线面关系变得清晰明了.文章从一道例题出发分析解决这类问题的方法,并在此基础上总结

规律,归纳常见的一些四面体的补形方法.

关键词[]立体几何;四面体;补形

教学中,遇到这样一个问题:已知在半径为2的球面上有A,B,C,D四点,若

AB=CD=2,则四面体ABCD的体积最大值为多少?

这是某年数学全国卷的第12题,主要考查几何体的体积的计算、球的性质、异面直线间

的距离,通过球这个载体考查学生的空间想象能力和推理计算能力.

解答是这样的:过CD作平面PCD,使AB垂直于平面PCD,交AB于P.设点P到CD的

距离为h,则有V■=■×■×2×h×2=■h,当直径通过AB与CD中点时,h■=2■=2■,故V■=■.

本小题这个解答当中,学生比较疑惑的有两点:(1)为什么可以过CD作平面PCD,使

AB垂直于平面PCD,能这样作的前提是AB和CD要垂直,那为什么认定体积最大时AB和

CD要垂直?(2)为什么直径通过AB与CD中点时,距离h最大?

要解释清楚这两个疑点,首先需要补充说明一个公式.

四面体体积公式:如果一个四面体的两条相对棱的长分别是a,b,它们的距离为d,所成

的角为θ,那么它的体积为V■=■abdsin(θ证明见后).

根据这个公式,我们首先得到结论:AB和CD必须垂直,即sinθ=90时°才能得到最大的

体积.

其次,由于AB=CD=R(球的半径),所以连结球心O和四个顶点,则容易知道△OAB

和△OCD都是正三角形.

设AB的中点为E,CD的中点为F,则OE⊥AB,OF⊥CD.

设AB与CD间的距离为d,有d≤EF≤OE+OF.(异面直线间公垂线段最短)

因此,OEF共线时,四面体的体积可以达到最大值,因为OE=OF=■,故V■=■.

?摇?摇这样解决一个选择题比较花费时间,而且在高中数学教学中,不涉及四面体的体

积公式,异面直线的距离即公垂线段的长度在教学中也仅仅要求了解.下面我们用补形的思路

来解决这个问题.因为题目当中两条线段长度一样,所以考虑把这个四面体补形成一个长方

体:

如图1:

则四面体的外接球即是长方体的外接球,四面体的体积是长方体的体积减去四个全等的小

三棱锥的体积.

设长方体的边长为a,b,c,体对角线即为外接球的直径,得到:

a2+b2+c2=42,b2+c2=22,所以a=2■,

则V■=V■-4V■=abc-4×■×■abc=■abc=■.

又b2+c2=22,所以V■=■≤■(b2+c2)=■,

当且仅当b=c=■时,等号成立.

从等号成立的条件可以比较容易地看出是在AB和CD垂直时,四面体的体积取到了最大

值.

我们会发现,使用补形,一下子把陌生的几何体变得熟悉了,原本错综复杂的线面关系也

变得清晰起来.利用这一方法解决某些几何问题,思路清晰明朗,较其他方法简洁明了.

比如刚才提到的四面体的体积公式也可以用补形法得到.

一个四面体的两条相对棱的长分别是a,b,它们的距离为d,所成的角为θ,将四面体补

形成平行六面体(因为相对棱的长度不确定,相等的时候才能补成长方体).

如图2:

那么该平行六面体的底面积为S=■absinθ,平行六面体的体积为V■=■abdsinθ.同样,该平

行六面体由原四面体和四个全等的三棱锥构成.三棱锥与平行六面体的高相等,底面积为平行

六面体的一半,V■=■×■×■absinθ=■absinθ.所以V■=V■-4×V■=■absinθ.

一起来看一下常见的几种四面体补形方式:

一、把四面体的四个面各补上一个三棱锥,最后形成一个平行六面体.其中正四面体是最

特殊的形式,可以补成正方体.而对棱相等的四面体则可以补形成一个长方体.

例1:正四面体棱长为a,求外接球的半径R.

正四面体补形为一个正方体,正四面体的外接球即为正方体的外接球.

如图3:

正方体的面对角线是正四面体的棱长,体对角线为外接球的直径

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