立体几何中的折叠与展开问题.docx

【变式21】如图，在直三棱柱ABCA4G中，AB=I,BC=2,BBi=3,NABC=90。,点。为侧棱84上的动点.(1)求此直三棱柱ABC-A8C的表面积；(2)当A。+OG最小时，三棱锥。-A8G的体积.巩固训练1.把如图的平面图形分别沿AB、BC、AC翻折，已知仅、D2>A三点始终可以重合于点。得到三棱锥O-AC,那么当该三棱锥体积最大时，其外接球的表面积为.2、如图，AB是圆O的直径，点C是圆。上异于A,8的点，PO垂直于圆O所在的平面,且PO=O8=1,(I)若。为线段AC的中点，求证：AC_1_平面尸。O；(II)求三棱锥P-ABC体积的最大值；(III)若8C=,点E在线段PB上，求CE+OE的最小值.3 .请从下面三个条件中任选一个，补充在下面的横线上，并作答.BA(PA+PD)=OiPC=币；点P在平面的射影在直线AD上.如图，平面五边形/Hcr中，MZ)是边长为2的等边三角形，AD/BC,AB=2BC=2,ABJ_8。，将E4f)沿AD翻折成四棱锥尸-ABc£),E是棱尸。上的动点(端点除外)，F,例分别是AB,CE的中点，且.(1)求证：PN/平面总。：(2)当班'与平面Q4。所成角最大时,求平面ACE与平面ACZ)所成的锐二面角的余弦值.4 .如图，在矩形A5CD中，AB=2,AD=2,ABPCDFEE,F分别为4),8C的中点,以。尸为折痕把口开折起，点C到达点尸的位置，使PE=1.(1)证明：平面阳71平面4?FD;(2)求二面角产一OF-E的正弦值.B类型一折叠问题【例1】【分析】（I）证明尸OJ平面A8可得尸O_1AD,根据中位线定理图甲图乙和勾股定理可证ADJ_QN,故而A£>_1平面尸ON,于是平面FA。，平面PoN；（2）分别计算AON的面积和M到平面ACD的距离，代入体积公式计算.【解答】（1）证明：PA=PC,。是AC的中点，.POJ.AC,又平面Q4C_1平面A8,平面¾CC平面ACf）=AC,.尸0_1_平面47/）,又AOU平面力C。，.POVAD,AD=23,CD=2,AC=4,AD2+CD2=AC2f.AD工CD,ON是AACD的中位线，:.ONI1CD,Ac)J_QN,又ONPO=O,平面PON,又Az)U平面F4D,.平面皿>_1平面尸ON.(2) MAC是边长为4的等边三角形，.PO=2>,.M到平面ACD的距离d=PO=6,2ON是ACD的中位线，.SAA(W=；SM°=；XgX26X2=*,匕,w=-5mw.-PO=-×-×3=-.1r-V<3V(V2R22【点评】本题考查了面面垂直的判定，棱锥的体积计算，属于中档题.例2【分析】（1）取AD中点E,连接PE,EM,AC,可得PE1AD,然后证明8O_1P£；,可得PE_1平面438,进一步得到平面F4O_1平面ABCD；（2）由（1）知，尸石_1平面ABer>,连接田0,可得NPME=30°,求解三角形可得尸E=I,再求出四边形ABc。的面积，代入棱锥体积公式求解.【解答】（1）证明：取AD中点E,连接正，EM,AC,PA=PD,得PEJ_4）,由底面ABCZ）为菱形，得Bf>"1AC,E,Af分别为4）,Ci）的中点，:.EM1IAC,则1HW,又BD工PM,.8DJ平面尸KW,则班）1,PE,.尸石_1平面ABCD,而尸EU平面¾O,.平面BIDj1平面ABCD；(2)解：由(1)知，依_1平面ABa),连接EW,可得NPME=30。,设Ae=,则PE=J2一.,EM=与=*a,故P-ABCD=g-smmjfiBCD,PE=ry-【点评】本题考查平面与平面垂直的判定，考查空间想象能力与思维能力，训练了多面体体积的求法，是中档题.【变式M【分析】（1）推导出AB14AB_1平面R4。，ABYPDtPDA-PA,由此能证明P£）_1平面¼8.（2）取4）的中点。，连结。P,OC,由AC=S知OCJ以。为坐标原点，OC所在的直线为X轴，OA所在的直线为），轴建立空间直角坐标系，利用向量法能求出二面角A-依-。的大小.（3）假设点”存在,其坐标为（4,y,z）,与平面PAC所成的角为,则存在/It（0,1）,有AM=P,利用向量法能求出在棱PA上满足题意的点M存在.【解答】证明：（1）AB=tAD=2,BD=小.AB2+AD2=BD2,.-.ABA.AD,平面R1D_1平面Aea),平面¾DC平面ABCr)=AD,.AB_1平面又尸DU平面¾O,.AB±PD,又PD±PA,PAAB=A.丹)_1平面弘8.解：(2)取AD的中点O,连结OP,OC,由平面HW_1平面ABC。知PO_1平面ABCD,由AC=8知OC_104,以O为坐标原点，OC所在的直线为X轴，OA所在的直线为y轴建立空间直角坐标系如图示，则C(2,0,0),P(0,O,I),0(0,-1,0),A(0,1,0),B(1,1,0).P=(1J,-1),PC=(2,0,-1),PD=(0,-1,-1),设平面PBC的法向量为m=(a,b,c),mPB=Ozr,(a+b-c=OA/口由1,得，令=1得。=1,c=2,W=(1,1,2),wPC=O2a-c=0PD_1平面A4B,.OP=(O,1,1)是平面QAB的法向量，设二面角A-PA-C大小为。，则cos"底。户=,IwDPIJ6>J22既IB乃，.二面角A-PA-C的大小。=巴.6(3)假设点M存在，其坐标为(x,y,z),BM与平面P8C所成的角为,则存在;Iw(0,1),AM=AAP,即(x,y-1,z)=2(0,-1,1),M(0,1-A,),从而sina=|mBM.-I=I戊HBM1161+220,1,.=10-3,则BM=,4A在棱PA上满足题意的点M存在.【点评】本题考查线面垂直的证明，考查二面角的求法，考查满足线面角的正弦值点是否存在的判断与求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是中档题.类型二展开问题【例1】【分析】将三棱柱展开两次如图，不难发现最短距离是六个矩形对角线的连线，正好相当于绕三棱柱转两次的最短路径.【解答】解：将正三棱柱A8C-4MG沿侧棱展开，再拼接一次，其侧面展开图如图所示，在展开图中，最短距离是六个矩形对角线的连线的长度，也即为三棱柱的侧面上所求距离的最小值.由已知求得矩形的长等于6x2=12,宽等于5,由勾股定理<=122+52=13.故选：C.【点评】本题考查棱柱的结构特征，考查空间想象能力和思维能力，考查数学转化思想方法，是中档题.【例2】【分析】画出解答几何体的部分侧面展开图，利用三角形的边的关系容易解得边长的值，从B而得出其中的最小值.【解答】解：将三棱锥S-ABC沿侧棱SB展开，其侧面展开图如图所示，由图中红色路线可得结论.根据余弦定理得，沿着三棱锥的侧面绕行一周回到点B的最短路线的长为:j4+4+2x2x2xg=2有故选：C.【点评】本题考查多面体和旋转体表面上的最短距离问题，空间想象能力，几何体的展开与折叠，是基础题.【变式2工】【分析】（I）直三棱柱43C-A4G的表面积：S=2SMBC+Sm形ABf1iA+S矩形BCGB1+S矩形AcGA.（2）将直三棱柱ABC-AiB1C1展开成矩形ACGA，如图，连结AG，交84于0,此时A。+。G最小，当AO+Z）C最小时，BD=I,此时三棱锥力-45G的体积：Vd-abci=Vq_abo,由此能求出结果.【解答】解：（1）.在直三棱柱ABC-AqG中，AB=I,BC=2,BB=3,ZABC=90°,二.此直三棱柱48C-AqG的表面积：S=2SAABC+S矩形A84A÷S矩形BCG瓦+S矩形AcC1A=2×-×1×2÷1×3+2×3+J1+4X32=11+35.(2)将直三棱柱ABC-A&G展开成矩形ACGA，如图，连结AG，交BB1于D,此时40+OG最小，AB=I,BC=2tBBi=3,NABC=90°,点。为侧棱8耳上的动点,.当A。+OG最小时，BD=I,此时三棱锥O-4BG的体积：VD-ABG½7-ABD=；SMBDXBC=；XABXBDXBIG=-×-×1×1×2=-.323.当AO+Z>G最小时，三棱锥O-ABG的体积为g.【点评】本题考查几何体的表面积、体积的求法，考查空间中线线、线面、面面的位置关系等基础知识，考查推理论证能力、运算求解能力、空间思维能力，考查数数结合思想、函数与方程思想、化归与转化思想，是中档题.巩固练习1.【分析】在三棱锥。-ABC中，当且仅当以，平面ABC时，三棱锥的体积达到最大，然后根据三棱锥的性质求出外接球的半径，进而可以求解.【解答】解：在三棱锥。-ABC中，当且仅当"，平面AeC时，三棱锥的体积达到最大，此时，设外接球的半径为R,球心为O,球心O到平面ABC的投影点为F,贝IJ有N=OA2=OF2+AF2,所以球的表面积为S=4R2=4r×=50万，2故答案为：50".【点评】本题考查了三棱锥的外接球的表面积问题，考查了学生的空间想象能力以及运算能力，属于中档题.【分析】(I)由题意可证AC_1DO,又尸O_1AC,即可证明AC_1平面PDO.(H)当CO_1AB时，C到AB的距离最大且最大值为1,又A8=2,即可求ABC面积的最大值，又三棱锥P-AfiC的高产0=1,即可求得三棱锥P-ABC体积的最大值.(In)可求PA=Ti77F=PC,即有PB=PC=BC,由OP=O8,CP=CB,可证后为PB中点,从而可求OC=OE+EC=立任=6+遍,从而得解.222【解答】解：(I)在AOC中，因为。A=OC,。为AC的中点,所以ACJ1n9,又尸。垂直于圆。所在的平面，所以PO_1AC,因为OOPO=O,所以ACj_平面/YX?.(II)因为点C在圆。上，所以当CO1AB时，C到Ae的距离最大，且最大值为1,F又AB=2,所以A8C面积的最大值为J21=1,2又因为三棱锥P-ABC的高PO=I,故三棱锥P-ABC体积的最大值为：JXIX1=133(In)在PO8中，PO=OB=I,ZPO3=90°,同理PC=,所以PB=PC=BC,在三棱锥尸-ABC中，将侧面BCP绕PB旋转至平面BCP,使之与平面ABP共面，如图所示，当O,E,C共线时，CE+OE取得最小值,又因为OP=OB,CP=CB,所以OC垂直平分M,即石为尸8中点.从而OC=OE+EC=-+-=y+.222亦即可+。石的最小值为：&+>.【点评】本题主要考查了直线与直线、直线与平面的位置关系、锥体的体积的求法等基础知识，考查了空间想象能力、推理论证能力、运算求解能力，考查了数形结合思想、化归与转化思想，属于中档题.【分析】（1）取C。中点为G,连接MG,FG,GM/IPD,FGHAD,进而可证平面MFG平面孙。，可证R