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全日制义务教育数学课程标准(实验稿)中把原来的“平面几何”改为了“空间与图形”,将平面图形的学习扩展为了空间图形的学习。即在原来的平面图形的基础上,增加了一部分立体图形知识。在新课标下的数学教材中,就出现了一种空间图形中的“最短路径”问题。受新教材内容的引导和启迪,近年来的中考数学试题中也常出现这类问题。
例1 如图1,一只昆虫要从正方体的一个顶点爬到相距它最远的另一个顶点,哪条路径最短?说明理由。
简析:正方体中相距最远的顶点应该是正方体一条对角线所在的两个顶点。可将正方体展开(如图2所示),在展开图上连接昆虫爬行的起点A和终点B,此线段AB所表示的路径即为昆虫爬行的最短路径。
例2如图3,点A和点B分别是棱长为20cm的正方体盒子上相邻面的两个中心。一只蚂蚁在盒子表面由A处向B处爬行,所走的最短路程是( )。
A.40cm
B.20(根号2)cm
C.20cm
D.10(根号2)cm
简析:蚂蚁爬行的最短路径应该是过A、B两点作A、B两点所在平面相交的棱的垂线(如图4所示),即为正方体一条棱的长度20cm。故应选C。
例3 如图5,已知正方体的棱长为2,则正方体表面上,从点A到点C1的最短距离为_________________。
简析:本题与例1的原理一致,所行路线相同,即图6中平面 ABB1A1和平面A1B1C1D1内的虚线部分AM+MC,(M为A1B1的中点),不同的是要算出最短路径的大小。故AM+MC1=2AM=2(根号5)。
例4如图7,已知圆锥的母线长OA=8,底面圆的半径r=2,若一只小虫从A点出发,绕圆锥的侧面爬行一周后回到A点,则小虫爬行的最短路线的长是__________________(结果保留根号)。(2005年河北省中考试题)
简析:将圆锥沿母线OA剪开,再展开成图8所示的平面图形,该展开图应是一个扇形,小虫爬行的最短路线是扇形图中的弦AB。即AB=(根号2)。
例5 如图9,有一圆锥形粮堆,其正视图是边长为6m的正△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)。
(2004年重庆市北碚区中考试题)
简析:因为圆锥的正视图是等边三角形,即它的轴截面是一个等边三角形,这时的底面圆的直径BC=6,半径为3,底面圆的周长为π,将圆锥沿母线AB剪开,再展开成如图10所示的扇形,则圆锥侧面展开图这一扇形的圆心角∠BAB’=6π×180/6π=180°,所以∠BAP=90°。又因AP=3,AB=6,由勾股定理可求得BP=3(根号5)。故小猫所经过的最短路程BP=3(根号5)m。
由以上几例可以看出,这类空间图形中的“最短路径”问题有一定的难度,解决这类问题的关键是将空间图形转化成平面图形问题,在平面图形中就比较容易寻找到最短路径。
例1 如图1,一只昆虫要从正方体的一个顶点爬到相距它最远的另一个顶点,哪条路径最短?说明理由。
简析:正方体中相距最远的顶点应该是正方体一条对角线所在的两个顶点。可将正方体展开(如图2所示),在展开图上连接昆虫爬行的起点A和终点B,此线段AB所表示的路径即为昆虫爬行的最短路径。
例2如图3,点A和点B分别是棱长为20cm的正方体盒子上相邻面的两个中心。一只蚂蚁在盒子表面由A处向B处爬行,所走的最短路程是( )。
A.40cm
B.20(根号2)cm
C.20cm
D.10(根号2)cm
简析:蚂蚁爬行的最短路径应该是过A、B两点作A、B两点所在平面相交的棱的垂线(如图4所示),即为正方体一条棱的长度20cm。故应选C。
例3 如图5,已知正方体的棱长为2,则正方体表面上,从点A到点C1的最短距离为_________________。
简析:本题与例1的原理一致,所行路线相同,即图6中平面 ABB1A1和平面A1B1C1D1内的虚线部分AM+MC,(M为A1B1的中点),不同的是要算出最短路径的大小。故AM+MC1=2AM=2(根号5)。
例4如图7,已知圆锥的母线长OA=8,底面圆的半径r=2,若一只小虫从A点出发,绕圆锥的侧面爬行一周后回到A点,则小虫爬行的最短路线的长是__________________(结果保留根号)。(2005年河北省中考试题)
简析:将圆锥沿母线OA剪开,再展开成图8所示的平面图形,该展开图应是一个扇形,小虫爬行的最短路线是扇形图中的弦AB。即AB=(根号2)。
例5 如图9,有一圆锥形粮堆,其正视图是边长为6m的正△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)。
(2004年重庆市北碚区中考试题)
简析:因为圆锥的正视图是等边三角形,即它的轴截面是一个等边三角形,这时的底面圆的直径BC=6,半径为3,底面圆的周长为π,将圆锥沿母线AB剪开,再展开成如图10所示的扇形,则圆锥侧面展开图这一扇形的圆心角∠BAB’=6π×180/6π=180°,所以∠BAP=90°。又因AP=3,AB=6,由勾股定理可求得BP=3(根号5)。故小猫所经过的最短路程BP=3(根号5)m。
由以上几例可以看出,这类空间图形中的“最短路径”问题有一定的难度,解决这类问题的关键是将空间图形转化成平面图形问题,在平面图形中就比较容易寻找到最短路径。