已知正四棱锥的侧棱长为l,其个定点都在一个球面上,若该球的体积为36π,且l大于3小于3倍根号3,则该正四棱锥的体积的取值范围是多少?
时间: 2023-08-31 11:41:04 浏览: 89
行业文档-设计装置-一种正四棱锥解题演示教具.zip
### 回答1:
该正四棱锥的体积的取值范围为 54 ≤ V ≤ 108,其中 V 是正四棱锥的体积。
解释如下:
正四棱锥有五个顶点,将它们标记为 A, B, C, D 和 O。设 AB = AC = AD = l,BC = CD = x,AO = BO = CO = DO = r。由于正四棱锥的四个侧面是等腰三角形,因此,我们可以得到:
$${x^2} + {r^2} = {l^2}$$
同时,由于 A, B, C, D 和 O 都在同一个球面上,因此,有:
$${r^2} = \frac{1}{3}{R^2}$$
其中 R 是该球的半径。因此,我们可以得到:
$${x^2} + \frac{1}{3}{R^2} = {l^2}$$
又因为该球的体积为 36π,因此有:
$$\frac{4}{3}\pi{R^3} = 36\pi$$
即:
$${R^3} = 27$$
因此:
$${x^2} = {l^2} - \frac{1}{3}{R^2} = {l^2} - 9$$
由于 l 大于 3,因此 x 大于 0。因此,正四棱锥的体积可以表示为:
$$V = \frac{1}{3}{S_{ABCD}}h = \frac{1}{3}{l^2}\sqrt {{x^2} - \frac{1}{4}{l^2}}$$
其中 SABCD 是正四棱锥的底面积,h 是正四棱锥的高。因此,我们需要求出 x 的取值范围,才能确定 V 的取值范围。
由于 x 大于 0,因此:
$$\sqrt {{x^2} - \frac{1}{4}{l^2}} ≤ \sqrt {{x^2}} = x$$
因此,有:
$$V ≤ \frac{1}{3}{l^2}x ≤ \frac{1}{3}{l^2}\sqrt {{x^2} - \frac{1}{4}{l^2}}$$
即:
$$V ≤ \frac{1}{3}{l^2}x ≤ \frac{1}{3}{l^2}\sqrt {x^2 - 9}$$
我们可以将不等式左边和右边都乘以 3,得到:
$$3V ≤ {l^2}x ≤ {l^2}\sqrt {x^2 - 9}$$
再将不等式两边都除以 l^2,得到:
$$3\frac{V}{{{l^2}}} ≤ x ≤ \sqrt {{\left( {\frac{V}{{{l^2}}}} \right)^2} + 9}$$
由于 l 大于 3,因此 x 大于 0,因此我们可以将上面的不等式两边都平方,得到:
$$9\frac{{{V
### 回答2:
首先,由正四棱锥的侧棱长度为l,我们可以构造以正四棱锥某个定点为球心,以l为半径的球,记作O。
根据题意,正四棱锥的所有顶点都在球O上,即其四个顶点也在球上。
假设该正四棱锥的一个顶点为A,则A到球心O的距离即为l,连接OA并延长到球O的表面上,可以得到一个以O为顶点的正四边形ABCD。
由于相邻两个顶点之间的距离为l,所以四边形ABCD的边长也为l。
接下来,我们可以通过球的体积和正四边形ABCD的面积之比来确定正四棱锥的体积取值范围。
首先,正四边形ABCD的面积可以求得:
S = l²/ tan(π/4) = l²
而球的体积为36π,可知球的半径r满足4/3πr³ = 36π,解得r = 3。
由球O的半径r和正四边形ABCD的边长l可求得正四边形的面积与球的体积之比:
S/(4/3πr³) = l² / (4/3π * 3³) = l² / 36π = (l/6)²
所以,正四棱锥的体积与球的体积之比为(S * l) / (4/3πr³) = (l² * (l/6)) / (4/3π * 3³) = l³ / 72π
根据题意可知,l大于3小于3倍根号3,即3 < l < 3√3
将l³ / 72π代入对l的取值范围中,可以得到体积的取值范围:
(3³ / 72π) < l³ / 72π < (3√3³ / 72π)
化简得:
9π / 72π < V < 27√3π / 72π
取消相同的π,得到:
1/8 < V < √3 / 8
### 回答3:
首先,正四棱锥的体积可以通过公式V = (1/3) * Bh来计算,其中B为底面积,h为高。
正四棱锥的底面为一个等边三角形,其面积可以通过公式B = (sqrt(3)/4) * l^2来计算。
由于四棱锥的顶点位于球的表面上,可以得到正四棱锥的高为球的半径r。
根据题目给出的信息,球的体积为36π,可以得到球的半径为r = (3/2),即r = 3。由此,正四棱锥的高为h = 3。
将底面积B = (sqrt(3)/4) * l^2和高h = 3代入体积公式V = (1/3) * Bh,可以得到正四棱锥的体积为V = (1/3) * (sqrt(3)/4) * l^2 * 3。
化简上式,可以得到V = (sqrt(3)/4) * l^2。
根据已知条件l大于3小于3倍根号3,可以得到3 < l < 3*sqrt(3)。
将上述不等式代入正四棱锥体积的表达式V = (sqrt(3)/4) * l^2,可以得到取值范围为3*(sqrt(3)/4) * 3^2 < V < 3*(sqrt(3)/4) * (3*sqrt(3))^2。
化简上式,可以得到3*sqrt(3) < V < 27*sqrt(3)。
因此,正四棱锥的体积的取值范围是3*sqrt(3)到27*sqrt(3)。
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