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有一类特殊的三棱锥

2022-01-22 来源:易榕旅网
有一类特殊的三棱锥,它的经过同一顶点的三条棱两两垂直,我们不妨把这种三棱锥称作直角三棱锥,从结构上看,它是平面的直角三角形在空间的扩展。循着直角三角形的一些重要性质对直角三棱锥进行探究,我们能得到直角三棱锥的有趣的相应性质。

我们已经学习过的直角三角形的性质有: 性质1:RtΔ的垂心就是直角顶点。 性质2:RtΔ的两个锐角互余。

性质3:RtΔ两直角边的平方和等于斜边的平方。

性质4:RtΔ中,斜边上的高是两条直角边在斜边上的射影比例中项;每条直角边是它在斜边上的射影和斜边的比例中项;由此,RtΔ两条直角边的平方比等于它们在斜边上的射影比。

性质5:RtΔ两直角边的乘积,等于斜边与斜边上高的乘积。 性质6:RtΔ斜边上的中线等于斜边的一半。

(所以RtΔ的外接圆半径R=c=

)。

性质7:RtΔ的内切圆半径r==

(a+b-c)。

现在我们来探究一下直角三棱锥的性质。如图所示,在三棱锥P-ABC中,三条侧棱PA、PB、PC两两垂直,设PA=a,PB=b,PC=c。

∵PA、PB、PC两两垂直, ∴PA⊥面PBC,PB⊥面PCA,PC⊥面PAB, ∴面PAB、面PBC、面PCA两两垂直。作PH⊥面ABC于H,连CH并延长并交AB于D,连PD,则PH⊥AB,PH⊥CD,面PCD⊥面ABC;而PC⊥

面PAB

PC⊥AB,所以AB⊥面PCD,∴AB⊥PD,AB⊥CH。同理,AH⊥BC,BH⊥CA。

由AB⊥面PCD知CD⊥AB,而PD⊥AB且∠APB=

90°,∴∠ABC、∠CAB为锐角。同理,∠BCA也是锐角,从而有:

性质1:直角三棱锥的底面是锐角三角形。

由AB⊥CH,AH⊥BC,BH⊥CA易知,H是ΔABC的垂心,由此可得: 性质2:①直角三棱锥顶点在底面的射影是底面三角形的垂心。

在RtΔPAB中,PD·AB=PA·PBPD=;在RtΔPCD中,CD=PD+PC

=()+c=;在RtΔPCD中,PH⊥CD,∴PD·PC=CD·PH

PH===,∴=

=++

。因此有:

性质2:②直角三棱锥顶点到底面的距离为h满足关系式=++

因PH⊥面ABC, ∴侧棱PC与底面ABC所成角为∠PCH=α,则有sin∠PCH=sinα

===。 同理,侧棱PB与底面ABC所成

角为∠PBH=β,sin∠PBH=sinβ=,侧棱PA与底面ABC所成角

为∠PAH=γ,sin∠PBH=sinγ=γ=1。因此,

,所以sinα+sinβ+sin

性质3:①直角三棱锥三条侧棱与底面所成角的正弦值的平方和等于1。三条侧棱与底面所成角,和三个侧面与底面所成角互为余角。

由AB⊥PD,AB⊥CD,∴侧面PAB与底面ABC所成角为∠PDC=θ,由PC⊥PD知θ+α=90°,∴sinα=sin(90°-θ)=cosθ。类似推理,由sinα+sinβ+sinγ=

1。易得:sinθ+sinδ+sin=1。 另外,tan(P-AB-C)=tan∠PDC==

=c,同理,tan(P-BC-A)=a ,tan(P-CA-B)=b

。所以,

性质3:②直角三棱锥三个侧面与底面所成角的余弦值的平方和等于1。各角的正切值:

tan(P-AB-C)=c,tan(P-BC-A)=a ,tan(P-CA-B)=b

如图,Q为底面ΔABC内任一点,作点Q到面PAB的距离为RQ=d,到面PBC的距离为RT=d,到面PCA的距离为RS=d,容易得到:PQ=RQ+RP=RQ+RT+RS=d+d

+d

性质4:①底面内任一点到顶点距离的平方,等于它到三个侧面距离的平方和。

QP与棱PA所成角的余弦值cos

α==

,QP与棱PB所成角的余弦值cosβ==,QP与棱PA所成角的余弦值

cosγ=

在PQ=RQ+RT+RS两边同时除以PQ,得cosγ+cosα+cosβ=1; 性质4:②直角三棱锥底面内任一点与顶点的连线,和三条棱分别构成三个角,其余弦值的平方和为1。

QP与面PAB所成角的余弦值cosθ=,QP与面PBC所成角的余弦值cos

δ=,QP与面PCA所成角的余弦值cos=,由PQ=RQ

+RT+RS得2×PQ=RS+RT+RS+RQ+RT+RQ,两边同时除以PQ,得cos

θ+cosδ+cossinδ+sin

=2,∴ 1-sinθ+1-sinδ+1-sin=2,得sinθ+

=1。

性质4:③直角三棱锥底面内任一点与顶点的连线,和三个侧面分别构成三个角,其正弦值的平方和为1。

底面三角形的面积S=AB·CD=·=

,这也可以当成直角三棱锥的一个性质:

性质5:①直角三棱锥底面三角形的面积S=

在RtΔPCD中,PD=HD·CD,两边同乘以即S

=S

·S

;同理,S

=S

AB得·S

AB·PD=;S

AB·HD·CD,

·S

=S

性质5:②直角三棱锥侧面面积是其在底面的射影面积与底面面积的比例中项。 把S

=S

·S=S

;S

+S

=S

·S+S

;S。

=S

·S

;这

三个式子相加,得S

性质5:③直角三棱锥三个侧面面积的平方和,等于底面面积的平方。

直角三棱锥P-ABC中,在点A处,cos∠PAB·cos

∠PAC=·=

cos∠BAC==

===

=cos∠PAB·cos∠PAC;

即cos∠BAC=cos∠PAB·cos∠PAC;同理,点B处,cos∠ABC=cos∠PBA·cos∠PBC;点C处,cos∠ACB=cos∠PCB·cos∠PCA。所以

性质6:直角三棱锥底面端点处,侧棱与底面两边所成角的余弦积,等于底面角的余弦值。

将直角三棱锥补成长方体,则直角三棱锥的外接球也是长方体的外接球,其球心是长方体的中心,半径为长方体对角线的一半。因此有

性质7:①直角三棱锥外接球的半径R=

设直角三棱锥内切球半径为r,球心为O,连OA,OB,OC,则把直角三棱锥分成四个小三棱锥,∴ V

=V

+V

+V

+V

∵ S=,∴ ×ab×c=×ab×r+×bc×r

+×ca×r+××

×r ,

∴ r=

。所以,

性质7:②直角三棱锥内切球的半径r=

现在将以上所探究到的直角三棱锥性质小结如下:

性质1:直角三棱锥的底面是锐角三角形。

性质2:①直角三棱锥顶点在底面的射影是底面三角形的垂心。

②直角三棱锥顶点到底面的距离为h满足关系式=++

性质3:①直角三棱锥三条侧棱与底面所成角的正弦值的平方和等于1。三条侧棱与底面所成角,和三个侧面与底面所成角互为余角。

②直角三棱锥三个侧面与底面所成角的余弦值的平方和等于1。各角的正切值:

tan(P-AB-C)=c,tan(P-BC-A)=a ,tan(P-CA-B)=b

性质4:①底面内任一点到顶点距离的平方,等于它到三个侧面距离的平方和。

②直角三棱锥底面内任一点与顶点的连线,和三条棱分别构成三个角,其余

弦值的平方和为1。

③直角三棱锥底面内任一点与顶点的连线,和三个侧面分别构成三个角,其

正弦值的平方和为1。

性质5:①直角三棱锥底面三角形的面积S=

②直角三棱锥侧面面积是其在底面的射影面积与底面面积的比例中项。

③直角三棱锥三个侧面面积的平方和,等于底面面积的平方。

性质6:直角三棱锥底面端点处,侧棱与底面两边所成角的余弦积,等于底面角的余弦

性质7:①直角三棱锥外接球的半径R=

②直角三棱锥内切球的半径r=

值。

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