立体图形上的最短路线问题

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立体图形上的最短路线问题
陈开金
以下的有趣问题来自北师大版《数学》教科书九年级上册第21页。

例1. 如下图,正四棱柱的底面边长为5cm ,侧棱长为8cm ,一只蚂蚁欲从正四棱柱底面上的A 点沿棱柱侧面到点C ’处吃食物,那么它需要爬行的最短路径的长是多少?
分析:解这类题应将立体图形展开化为平面图形,把空间两点的距离转化为平面上两点间的距离,利用“同一平面内两点间的最短路线是连接这两点的线段”进行计算。

解:如图1,设蚂蚁爬行的路径是AEC ’(在面ADD ’A ’上爬行是一样的)。

将四棱柱剪开铺平,使矩形AA ’B ’B 与BB ’C ’C 相连,连接AC ’,使E 点在AC ’上。

(如图2)
)(412810')('2222cm CC BC AB AC =+=++=。

所以这只蚂蚁爬行的最短路径长为cm 412。

评注:这道题的计算并不难,难点是如何正确画出展开图。

画展开图的要点是使ABB'A'与BCC'B'相连接并成为一个完整的矩形。

这样展开的依据是“沿棱柱侧面”。

这类题是中考的一个热点。

要特别注意,这种把空间转化为平面的转化方法是处理这类问题的基本方法。

我们还可以把棱柱变为圆柱、圆锥等,解题思路都是一样的。

例2. 如下图所示,圆柱形玻璃容器高18cm ,底面周长为60cm ,在外侧距下底1cm 的点S 处有一蜘蛛,与蜘蛛相对的圆柱形容器的上口外侧距开口处1cm 的点F 处有一苍蝇,试求蜘蛛捕获苍蝇充饥所走的最短路线的长度。

解:如下图所示,把圆柱的半侧面展开成矩形,点S ,F 各自所在的母线为矩形的一组对边,上下底面圆的半周长为矩形的另一组对边。

该矩形上的线段SF 即为所求的最短路线。

过点S 作点F 所在母线的垂线,得到SEF Rt ∆。

)(34)1118(3022cm SF =--+=。

例3. 如下图,有一圆锥形粮堆,其主视图是边长为6m 的正三角形ABC ,粮堆母线AC 的中点P 处有一老鼠正在偷吃粮食,此时小猫正在B 处,它要沿圆锥侧面到达P 处捕捉老鼠,则小猫所经过的最短路程是__________m 。

(结果不取近似值)
解:作出圆锥侧面展开后的扇形图如下图,设该扇形的圆心角度数为n ,由展开扇形圆弧长等于底面圆周长,可得
BC AC n ⋅=⋅ππ180
,再由AC=BC=6m ,可得n=180°。

故在展开的平面图形中,︒=︒⨯=∠9018021BAC 。

点C 到P 的最短距离为 )(53362222m AP AC CP =+=+=。

例4. 如下图,一个无盖的正方体盒子的棱长为10cm ,顶点1C 处有一只昆虫甲,在盒子的内部顶点A 处有一只昆虫乙。

(盒壁的厚度忽略不计)
(1)假设昆虫甲在顶点1C 处静止不动,如上图,在盒子的内部我们先取棱BB 1的中点E 1,再连接AE 1,E 1C 1。

昆虫乙如果沿路径A →E 1→C 1爬行,那么可以在最短的时间内捕捉到昆虫甲。

仔细体会其中的道理,并在上图中画出另一条路径,使昆虫乙从顶点A 沿这条路径爬行,同样可以在最短的时间内捕捉到昆虫甲。

(请简要说明画法)
(2)假设昆虫甲从顶点C 1以1cm/s 的速度在盒子的内部沿C 1C 向下爬行,同时昆虫乙从顶点A 以2cm/s 的速度在盒壁上爬行,那么昆虫乙至少需要多长时间才能捕捉到昆虫甲?(精确到1s )
分析:(1)可能的路径共有四种,如下图。

每条路径的展开图都是相同长方形对角线的长,因此四条路径的长相等,都是最短路径。

(2)由(1)可知,当昆虫甲从顶点C 1沿棱C 1C 向顶点C 爬行的同时,昆虫乙可以有下列四种路径供选择。

观察下图可以看出,下图(1)与下图(2)中的路径长相等,下图(3)与下图(4)中的路径长相等。

①如下图(1),设经x s 乙恰好捕捉到甲。

在ACF Rt ∆中,2++=CF BC AB AF 22)(,即222)2(20)10(x x =+-。

解得3
50,1021-==x x (负数不合题意,舍去)。

②如下图(3),设昆虫乙经y s 恰好捕捉到甲。

在ADF Rt ∆中,22210)20()2(+-=y y 。

解上述方程得)(8,6
5003440402s y y ≈⨯⨯+±-=。

所以昆虫乙捕捉到昆虫甲至少需要8s 。

(1)(2)
(3)(4)。