本题导读

本题考查柱体与锥体的体积公式,以及旋转体轴截面的几何特征。

📌【题干】

Question

(1999年全国卷(理)) 将若干毫升水倒入底面半径为 的圆柱形器皿中,量得水面的高度为 ,若将这些水倒入轴截面是正三角形的倒圆锥形器皿中,则水面的高度是()

A.     B.     C.     D.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 计算水的总体积:已知圆柱形器皿的底面半径 、水面高度 。利用圆柱体积公式 直求水的实际体积。
  2. 分析倒圆锥水面几何构型:倒圆锥的轴截面为正三角形,意味着该圆锥的母线长、底面直径以及高满足固定的特殊直角三角形(含有 角)的边长比例。当水倒入后,内部水体构成一个小圆锥,其轴截面同样是正三角形。
  3. 建立半径与高度的比例关系:设倒入后水面的高度(水深)为 ,则水面圆半径 与高度 满足 。
  4. 利用体积守恒列方程:代入圆锥体积公式 ,令其等于圆柱内水的体积,解出 。

✅【答案】

Success

B

✍【详细解析】

Abstract

第一步:计算水的总体积

根据圆柱体积公式,器皿中水的总体积为:

第二步:分析倒圆锥器皿内的水体几何量

将水倒入轴截面为正三角形的倒圆锥形器皿中。设倒入后水面的高度(即小圆锥的高)为 ,水面的圆半径为 。 因为圆锥的轴截面是一个正三角形,所以水体组成的小圆锥的轴截面也是一个正三角形。 该正三角形的高为 ,底边长为水面直径 。

在解由高、半径、母线构成的直角三角形中,顶角的一半为 ,因此满足:

第三步:体积守恒列方程求解

根据圆锥的体积公式,水体形成的圆锥体积为:

将 代入体积公式中:

由于水的总体积守恒,令两体积相等:

两边消去 并同乘以 9:

所以,水面的高度是 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:圆柱体积公式 与圆锥体积公式 ;轴截面概念在旋转体空间降维中的应用。
  2. 核心方法:模型体积守恒法。把握住变化中“水的绝对体积不随容器形状改变而改变”这一等量核心纽带。
  3. 避坑指南:
  • 圆锥体积公式漏乘 :极易在列出圆锥体积时丢掉前面的 ,导致计算结果错选成 C 或 D。
  • 空间比例搞错:轴截面为正三角形时,高 、半径 与母线 组成的直角三角形中,高对的是 角,半径对的是 角,故 ,切勿记反写成 。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题源自新教材“立体几何初步”中有关旋转体(圆柱、圆锥)体积计算的经典应用题,侧重考查数形结合的基本素养。
  2. 结论推广:若一底面半径为 、高为 的圆柱形液体,完全倒入一个轴截面顶角为 的倒圆锥形容器中,则液体在圆锥内形成的新高度 恒满足下列普适性通解公式: 本题中 ,,代入验证:。

🔗【关联脉络】

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