[Vted.vn] - Thể tích khối chóp cụt và ứng dụng


Bài viết này Vted trình bày và giới thiệu đến bạn đọc Công thức tính thể tích của một khối chóp cụt và một số ví dụ minh hoạ. Công thức này cho phép tính thể tích một số khối đa diện mức độ vận dụng, vận dụng cao.

Khi cắt khối chóp bởi một mặt phẳng song song với đáy thì mặt phẳng đó chia khối chóp đã cho thành hai khối đa diện, khối bên trên là khối chóp và khối bên dưới được gọi là khối chóp cụt.

Thể tích của khối chóp cụt có diện tích hai đáy lần lượt là ${{S}_{1}},{{S}_{2}}$ và chiều cao bằng $h$ (khoảng cách giữa hai đáy) là \[V=\dfrac{h({{S}_{1}}+{{S}_{2}}+\sqrt{{{S}_{1}}{{S}_{2}}})}{3}.\]

Xem thêm Công thức tính thể tích, diện tích xung quanh, diện tích toàn phần của khối nón cụt

Video bài giảng: Thể tích khối chóp cụt và ứng dụng

>>Xem thêm Công thức tổng quát tính thể tích của một khối tứ diện bất kì và các trường hợp đặc biệt

Ví dụ 1: Cho lăng trụ đứng $ABC.{A}'{B}'{C}'$ có đáy là tam giác đều cạnh $a,A{A}'=2a.$ Gọi $M,N$ lần lượt là trung điểm các cạnh $A{A}',B{B}'$ và $G$ là trọng tâm tam giác $ABC.$ Mặt phẳng $(MNG)$ cắt $CA,CB$ lần lượt tại $E,F.$ Thể tích của khối đa diện có sáu đỉnh $A,B,M,N,E,F$ bằng

Giải. Do $MN//(ABC)\Rightarrow (MNG)\cap (ABC)=EF//AB.$ Gọi $P$ là trung điểm $C{C}'.$ Ta có $MNP.EFC$ là một chóp cụt.

$\begin{gathered} {V_{ABNMEF}} = {V_{ABC.MNP}} - {V_{MNP.EFC}} = \dfrac{1}{2}{V_{ABC.A'B'C'}} - \dfrac{{CP}}{3}\left( {{S_{MNP}} + {S_{EFC}} + \sqrt {{S_{MNP}}{S_{EFC}}} } \right) \\ = \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4}} \right)\left( {2a} \right) - \dfrac{a}{3}\left( {\dfrac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4} + {{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^2}\dfrac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4} + \sqrt {\dfrac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4}{{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^2}\dfrac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4}} } \right) = \dfrac{{2\sqrt 3 {a^3}}}{{27}}. \\ \end{gathered} $

Trong đó ${{S}_{MNP}}={{S}_{ABC}}=\dfrac{\sqrt{3}}{4}{{a}^{2}};\dfrac{CE}{CA}=\dfrac{CF}{CB}=\dfrac{CG}{CI}=\dfrac{2}{3}\Rightarrow \Delta CEF\backsim \Delta CAB$ tỉ số $\dfrac{2}{3}\Rightarrow {{S}_{CEF}}={{\left( \dfrac{2}{3} \right)}^{2}}{{S}_{CAB}}={{\left( \dfrac{2}{3} \right)}^{2}}\dfrac{\sqrt{3}}{4}{{a}^{2}}.$

Hoặc \[{{S}_{CEF}}=\dfrac{1}{2}CE.CF.\sin \widehat{ECF}=\dfrac{1}{2}.\dfrac{2a}{3}.\dfrac{2a}{3}.\dfrac{\sqrt{3}}{2}=\dfrac{\sqrt{3}{{a}^{2}}}{9}.\] Chọn đáp án D.

Ví dụ 2: Cho lăng trụ $ABC.{A}'{B}'{C}'$ có thể tích bằng $24$. Gọi $M\,,\ N$ và $P$ lần lượt là các điểm nằm trên các cạnh ${A}'{B}'\,,\,\ {B}'{C}'$ và $BC$ sao cho $M$ là trung điểm của ${A}'{B}'$, ${B}'N=\dfrac{3}{4}{B}'{C}'$ và $BP=\dfrac{1}{4}BC.$ Đường thẳng $NP$ cắt đường thẳng $B{B}'$ tại $E$ và đường thẳng $EM$ cắt đường thẳng $AB$ tại $Q.$ Thể tích của khối đa diện lồi $AQPC{A}'MN{C}'$ bằng

Giải. Đặt $S,h$ lần lượt là diện tích đáy và chiều cao của lăng trụ đã cho ta có $S.h=24$ và

${{V}_{AQPC{A}'MN{C}'}}={{V}_{ABC.{A}'{B}'{C}'}}-{{V}_{BPQ.{B}'NM}}.$ Trong đó $BPQ.{B}'NM$ là chóp cụt có chiều cao $h.$

Ta có $\dfrac{EB}{E{B}'}=\dfrac{EP}{EN}=\dfrac{EQ}{EM}=\dfrac{BP}{{B}'N}=\dfrac{BQ}{{B}'M}=\dfrac{PQ}{NM}=\dfrac{1}{3}.$ Do đó hai tam giác $\Delta BPQ\backsim \Delta {B}'NM$ theo tỷ số $k=\dfrac{1}{3}.$

Suy ra ${{S}_{{B}'NM}}=\dfrac{{B}'N}{{B}'{C}'}\times \dfrac{{B}'M}{{B}'{A}'}S=\dfrac{3}{4}.\dfrac{1}{2}S=\dfrac{3}{8}S;{{S}_{BPQ}}={{\left( \dfrac{1}{3} \right)}^{2}}{{S}_{{B}'NM}}=\dfrac{1}{24}S.$

Vì vậy ${{V}_{BPQ.{B}'NM}}=\dfrac{h}{3}\left( \dfrac{3}{8}S+\dfrac{1}{24}S+\sqrt{\dfrac{3}{8}S\times \dfrac{1}{24}S} \right)=\dfrac{13}{72}S.h=\dfrac{13}{72}\times 24=\dfrac{13}{3}\Rightarrow {{V}_{AQPC{A}'MN{C}'}}=24-\dfrac{13}{3}=\dfrac{59}{3}.$ Chọn đáp án C.

Ví dụ 3: Cho khối lăng trụ đứng $ABC.{A}'{B}'{C}'$ có đáy $ABC$ là tam giác vuông cân tại $C,AB=2a$ và góc tạo bởi hai mặt phẳng $(AB{C}')$ và $(ABC)$ bằng $60{}^\circ .$ Gọi $M,N$ lần lượt là trung điểm của ${A}'{C}'$ và $BC.$ Mặt phẳng $(AMN)$ chia khối lăng trụ đã cho thành hai khối đa diện. Khối đa diện có thể tích nhỏ hơn bằng

Giải. Gọi $E$ là trung điểm $AB \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l} AB \bot CC'\\ AB \bot CE \end{array} \right. \Rightarrow AB \bot (CEC') \Rightarrow \widehat {C'EC} = \left( {(ABC'),(ABC)} \right) = {60^0} \Rightarrow CC' = CE\sqrt 3 = a\sqrt 3 .$

Vì $(ABC)//({A}'{B}'{C}')\Rightarrow (AMN)\cap ({A}'{B}'{C}')=MQ//AN.$

Khối đa diện $ANC.MQ{C}'$ có thể tích nhỏ hơn và là là khối chóp cụt có ${{S}_{1}}={{S}_{ANC}}=\dfrac{1}{2}{{S}_{ABC}}=\dfrac{1}{2}{{a}^{2}},{{S}_{2}}={{S}_{MQ{C}'}}=\dfrac{1}{4}{{S}_{ANC}}=\dfrac{1}{8}{{a}^{2}};h=C{C}'=\sqrt{3}a.$

Vì vậy ${{V}_{ANC.MQ{C}'}}=\dfrac{h}{3}\left( {{S}_{1}}+{{S}_{2}}+\sqrt{{{S}_{1}}{{S}_{2}}} \right)=\dfrac{\sqrt{3}a}{3}\left( \dfrac{1}{2}{{a}^{2}}+\dfrac{1}{8}{{a}^{2}}+\sqrt{\dfrac{1}{2}{{a}^{2}}\dfrac{1}{8}{{a}^{2}}} \right)=\dfrac{7\sqrt{3}{{a}^{3}}}{24}.$ Chọn đáp án A.

Ví dụ 4: Cho một chậu nước hình chóp cụt đều (hình vẽ) có chiều cao bằng $3dm,$ đáy là lục giác đều, độ dài cạnh đáy lớn bằng $2dm$ và độ dài cạnh đáy nhỏ bằng $1dm.$ Tính thể tích của chậu nước

A. $\dfrac{21\sqrt{3}}{2}d{{m}^{3}}.$

B. $\dfrac{21\sqrt{2}}{4}d{{m}^{3}}.$

C. $\dfrac{21}{2}d{{m}^{3}}.$

D. $\dfrac{21\sqrt{6}}{4}d{{m}^{3}}.$

Giải. Diện tích đáy của chậu bằng ${{S}_{1}}=6\left( \dfrac{{{2}^{2}}\sqrt{3}}{4} \right)=6\sqrt{3},{{S}_{2}}=6\left( \dfrac{{{1}^{2}}\sqrt{3}}{4} \right)=\dfrac{3\sqrt{3}}{2}.$

Chiều cao của chậu bằng $h=3.$

Thể tích của chậu bằng ${{V}_{0}}=\dfrac{h}{3}\left( {{S}_{1}}+{{S}_{2}}+\sqrt{{{S}_{1}}{{S}_{2}}} \right)=\dfrac{3}{3}\left( 6\sqrt{3}+\dfrac{3\sqrt{3}}{2}+\sqrt{6\sqrt{3}\dfrac{3\sqrt{3}}{2}} \right)=\dfrac{21\sqrt{3}}{2}d{{m}^{3}}.$ Chọn đáp án A.

Note: Diện tích lục giác đều gấp 6 lần diện tích tam giác đều có cùng độ dài cạnh.

Ví dụ 5: Cho một chậu nước hình chóp cụt đều (hình vẽ) có chiều cao bằng $3dm,$ đáy là lục giác đều, độ dài cạnh đáy lớn bằng $2dm$ và độ dài cạnh đáy nhỏ bằng $1dm.$ Cho biết thể tích nước trong chậu bằng $\dfrac{37}{189}$ thể tích chậu, hãy tính chiều cao mực nước.

A. $3-\sqrt[3]{19}.$

B. $6-\sqrt[3]{179}.$

C. $3-\sqrt[3]{17}.$

D. $6-\sqrt[3]{197}.$

Xem thêm Công thức tổng quát tính bán kính mặt cầu ngoại tiếp khối tứ diện và các trường hợp đặc biệt

Combo 4 Khoá Luyện thi THPT Quốc Gia 2023 Môn Toán dành cho teen 2K5

Bình luận

Để bình luận, bạn cần đăng nhập bằng tài khoản Vted.

Đăng nhập
Vted
Xem tất cả