有一底面為正方形的四角錐,其展開圖如下圖所示,其中兩側面的三角形邊長為 $3, 4, 5$,則此角錐的體積為 ____。
四角錐展開圖
詳解
分析四角錐及其展開圖:
1. 側面的三角形邊長為 $3, 4, 5$。因為 $3^2 + 4^2 = 5^2$,所以側面均為直角三角形,其中斜邊長為 $5$,兩直角邊分別為 $3$ 和 $4$。
2. 四角錐的底面是正方形,設其邊長為 $x$。由展開圖摺疊關係,底面正方形的邊長為 $x = 4$(此時直角三角形邊長 $4$ 為底邊,邊長 $3$ 與 $5$ 為摺疊側稜)。
3. 摺疊成四角錐後:
- 底面 $ABCD$ 為邊長 $4$ 的正方形,面積 = $4 \times 4 = 16$。
- 設底面 $ABCD$ 置於 $xy$ 平面上,中心在原點:
$$A(-2, -2, 0), B(2, -2, 0), C(2, 2, 0), D(-2, 2, 0)$$。
設頂點 $V$ 坐標為 $(x_0, y_0, z_0)$。
由於 $VA = VB = 3 \implies x_0 = 0$,且 $$(y_0 + 2)^2 + z_0^2 = 9 - 4 = 5 \ \text{--- (1)}$$。
由於 $VC = VD = 5 \implies (y_0 - 2)^2 + z_0^2 = 25 - 4 = 21 \ \text{--- (2)}$$。
聯立 (1) 與 (2),兩式相減得:
$$8y_0 = -16 \implies y_0 = -2$$。
代回 (1) 式:$$(-2 + 2)^2 + z_0^2 = 5 \implies z_0 = \sqrt{5}$$。
故此四角錐的高度 $h = \sqrt{5}$。
4. 四角錐的體積為:
$$V = \dfrac{1}{3} \times \text{底面積} \times \text{高} = \dfrac{1}{3} \times 16 \times \sqrt{5} = \dfrac{16\sqrt{5}}{3}$$。
對照格式,㉙ = 1,㉚ = 6,㉛ = 5,即體積為 $\dfrac{16\sqrt{5}}{3}$。