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用一个平面去截多面体,该平面与多面体各面的交线围成的平面图形,叫做多面体的一个截面,多面体的截面是多边形,一般的学生,对于解决有关截面的题目上,感到困难。
截面存在两个问题:①怎样作出截面;②求截面的元素及与截面有关的量。只有正确作出截面,才能判断其形状,从而找出计算各量的途径。要正确作出多面体的截面多边形,关键是找到截面与各棱的交点(即是截面多边形的顶点)。本文重点介绍以“三角形奠基法”为主的两种作截面的方法,这两种方法在棱柱、棱锥等多面体中作截面是很凑效的。
1三角形奠基法
这一作图法的根据是平面的三个基本性质(即三条公理,略),所谓“三角形奠基法”,即是以三点确定的三角形截平面为基础,再由平面性质确定该截平面与各棱的交点,从而完成所求作的截面多边形。
例1:在正方体ABCD——A1B1C1D1中,过AD、CD中点E、F和BB1延长线上的H点N(B1N=BB1)作截面。
解:我们先找到确定截平面的三个点,在平面ABCD内作直线EF∩BC=N1,EF∩BA=N2。
∵ EF截平面
∴ N1、N2截平面、于是△NN1N2为奠基三角形,其中点N、N1∈平面BB1C1C,点N、N2∈平面ABB1A1,且NN2∩AA1=P,NN2∩A1B1=Q,NN1∩B1C1=R,NN1∩CC1=S。则多边形FEPQRS为所求作的截面,由已知条件及作图,可判定截面为正六边形。(证明略)
例2:已知四棱锥M—ABCD,其中P∈AM,E∈MD,K∈MB,作出过P、K、E的截面多边形。
解:为了作出截平面与底面的交线,必须先找出同属于截平面EPK和底平面ABCD的两个点。
在平面ABM上作PK∩AB=N1,在平面ADM上作PE∩AD=N2,则N1N2截平面EPK,且N1N2?奂底面ABCD。
于是△PN1N2为我们要找的奠基三角形,由这三角形我们来找截平面与MC的交点F,在面ABCD上作DC∩N1N2=H,则H∈面MCD,连EH∩MC=F,点F为所求另一顶点。
∴ EPKF为所求作的截面多边形。
有时,我们不能直接找到截面多边形所在截平面的奠基三角形,可设法作出一些辅助截面。(如图)
例3:已知长方体AC1中,P∈AA1,Q∈BC、R∈C1D1,作出过P、Q、R的截面多边形。
解:可以估计截面多边形PQR的其余顶点应在AB、CC1和A1D1上。
①过R点在面CC1D1D内作RR'⊥CD并交CD于R',作辅助截平面R'RA1A,在该面内作RP∩R'A=N1,则N1在所求的截平面内;②在平面ABCD上作N1Q∩DCN2,则N2在截平面内;③在平面CC1D1D内作直线N2R,则△RN1N2为所需奠基三角形,其中N1N2∩AB=E,N2R∩CC1=F,E、F为截面两个顶点;④现在来确定A1D1上的另一顶点H。
在平面ABB1A1上作EP∩B1A1=N3,则N3在截平面内;在平面A1B1C1D1上作N3R∩A1D1=H,则H为截面另一顶点,于是PEQFRH为所求作的截面多边形。
2截割棱柱(棱锥)法
为了找出截面多边形的各边,就要找到这个截平面与多面体各棱的交点,可先将棱柱(锥)用对角面或辅助截面截割出一个或几个三棱柱(或锥),而这个三棱柱(锥)的截面三角形是整个截面多边形的一部份,以这三角为基础,利用平面的基本性质,即可作出整个截面多边形。
例4:如图,在五棱柱ABCDE—A1B1C1D1E1中,P∈AA1、Q∈CC1、R∈DD1,求作:过PQR的截面多边形。
解:①以已知三点P、Q、R所在的棱为三棱柱的棱,分割出三棱柱ACD—A1C1D1;②在三棱柱ACD—A1C1D1各侧面内连结P、Q、R得截面三角形PQR,这是所需的奠基三角形;③作对角面BB1E1E于是BE∩AC=M,BE∩AD=N
B1E1∩A1C1=M1,B1E1∩=A1D1=N1
④在面ACC1A1内作MM1∩PQ=S,在面ADD1A1内作NN1∩PR=T,则S、T∈面BEE1B1。
⑤过S、T作直线ST∩BB1=F,ST∩EE1=H
则五边形PFQRH为所求作的截面多边形。
截面存在两个问题:①怎样作出截面;②求截面的元素及与截面有关的量。只有正确作出截面,才能判断其形状,从而找出计算各量的途径。要正确作出多面体的截面多边形,关键是找到截面与各棱的交点(即是截面多边形的顶点)。本文重点介绍以“三角形奠基法”为主的两种作截面的方法,这两种方法在棱柱、棱锥等多面体中作截面是很凑效的。
1三角形奠基法
这一作图法的根据是平面的三个基本性质(即三条公理,略),所谓“三角形奠基法”,即是以三点确定的三角形截平面为基础,再由平面性质确定该截平面与各棱的交点,从而完成所求作的截面多边形。
例1:在正方体ABCD——A1B1C1D1中,过AD、CD中点E、F和BB1延长线上的H点N(B1N=BB1)作截面。
解:我们先找到确定截平面的三个点,在平面ABCD内作直线EF∩BC=N1,EF∩BA=N2。
∵ EF截平面
∴ N1、N2截平面、于是△NN1N2为奠基三角形,其中点N、N1∈平面BB1C1C,点N、N2∈平面ABB1A1,且NN2∩AA1=P,NN2∩A1B1=Q,NN1∩B1C1=R,NN1∩CC1=S。则多边形FEPQRS为所求作的截面,由已知条件及作图,可判定截面为正六边形。(证明略)
例2:已知四棱锥M—ABCD,其中P∈AM,E∈MD,K∈MB,作出过P、K、E的截面多边形。
解:为了作出截平面与底面的交线,必须先找出同属于截平面EPK和底平面ABCD的两个点。
在平面ABM上作PK∩AB=N1,在平面ADM上作PE∩AD=N2,则N1N2截平面EPK,且N1N2?奂底面ABCD。
于是△PN1N2为我们要找的奠基三角形,由这三角形我们来找截平面与MC的交点F,在面ABCD上作DC∩N1N2=H,则H∈面MCD,连EH∩MC=F,点F为所求另一顶点。
∴ EPKF为所求作的截面多边形。
有时,我们不能直接找到截面多边形所在截平面的奠基三角形,可设法作出一些辅助截面。(如图)
例3:已知长方体AC1中,P∈AA1,Q∈BC、R∈C1D1,作出过P、Q、R的截面多边形。
解:可以估计截面多边形PQR的其余顶点应在AB、CC1和A1D1上。
①过R点在面CC1D1D内作RR'⊥CD并交CD于R',作辅助截平面R'RA1A,在该面内作RP∩R'A=N1,则N1在所求的截平面内;②在平面ABCD上作N1Q∩DCN2,则N2在截平面内;③在平面CC1D1D内作直线N2R,则△RN1N2为所需奠基三角形,其中N1N2∩AB=E,N2R∩CC1=F,E、F为截面两个顶点;④现在来确定A1D1上的另一顶点H。
在平面ABB1A1上作EP∩B1A1=N3,则N3在截平面内;在平面A1B1C1D1上作N3R∩A1D1=H,则H为截面另一顶点,于是PEQFRH为所求作的截面多边形。
2截割棱柱(棱锥)法
为了找出截面多边形的各边,就要找到这个截平面与多面体各棱的交点,可先将棱柱(锥)用对角面或辅助截面截割出一个或几个三棱柱(或锥),而这个三棱柱(锥)的截面三角形是整个截面多边形的一部份,以这三角为基础,利用平面的基本性质,即可作出整个截面多边形。
例4:如图,在五棱柱ABCDE—A1B1C1D1E1中,P∈AA1、Q∈CC1、R∈DD1,求作:过PQR的截面多边形。
解:①以已知三点P、Q、R所在的棱为三棱柱的棱,分割出三棱柱ACD—A1C1D1;②在三棱柱ACD—A1C1D1各侧面内连结P、Q、R得截面三角形PQR,这是所需的奠基三角形;③作对角面BB1E1E于是BE∩AC=M,BE∩AD=N
B1E1∩A1C1=M1,B1E1∩=A1D1=N1
④在面ACC1A1内作MM1∩PQ=S,在面ADD1A1内作NN1∩PR=T,则S、T∈面BEE1B1。
⑤过S、T作直线ST∩BB1=F,ST∩EE1=H
则五边形PFQRH为所求作的截面多边形。