本题导读

本题考查正六边形的几何性质,以及空间几何体的体积公式。

📌【题干】

Question

(2004年福建卷(理)) 如图,将边长为 的正六边形铁皮的六个角各切去一个全等的四边形,再沿虚线折起,做成一个无盖的正六棱柱容器.当这个正六棱柱容器的底面边长为 时,其容积最大.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 设自变量并建立几何关系:设折叠后底面正六边形边长为 ()。正六边形内角为 ,切角处折起部分的侧面矩形宽即高 ,由几何关系求 与 的关系。
  2. 构建体积函数 :底面积为 6 个边长 的正三角形面积之和 ,体积 。
  3. 求导求最值点:对 求导,令 得驻点,判断单调性确定最大容积对应的 。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

第一步:建立几何关系,求高 与底面边长 的关系 设无盖正六棱柱容器的底面正六边形边长为 (即图中内部虚线正六边形的边长),高为 ,原正六边形边长为 1。

正六边形每个内角均为 。沿虚线(新底面的边)向外折起时,折起部分构成 6 个侧面矩形,其宽即高 。 在原正六边形的顶点处,虚线与外部边界之间构成直角三角形。正六边形两相邻边的夹角被平分为两个 ,在以高 为一条直角边的三角形中,与高相邻的基底段长为 。

原边长 1 由新边长 与两侧切除的两个基底段组成: 解得高 关于 的表达式: 由高与边长为正,得 。

第二步:构建体积函数 底面是边长为 的正六边形,可拆为 6 个全等正三角形,面积为:

体积为底面积与高(式1)的乘积:

第三步:用导数求最值点 求导:

令 ,在 内得唯一驻点:

判断导函数符号:

  • 当 时, , 单调递增;
  • 当 时, , 单调递减。

函数先增后减,故 处取得最大值,即当底面边长为 时容积最大。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:正六边形内角 分解出的直角三角形边角关系();柱体体积 的函数化;用导数 求单峰函数的最值。
  2. 核心方法:几何参数化法、导数法。
  3. 避坑指南:
    • 高 的边角比例算错:切角处构造直角三角形时误把角看成 或 ,错写成 或 。做折叠应用题应先画切角放大图,由正六边形内角严格推导边长切分。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题考查立体几何与导数最值的综合,属高难度综合题。

  2. 结论推广: 本题属”正多边形薄板切角折成棱柱容器求最大容积”模型。一般地,正 边形薄板切角折成无盖正 棱柱时,体积 关于新底面边长 均化为 的三次形式,使容积最大的底面边长恒为 。本题 ,故 。

🔗【关联脉络】

Multi column