空間図形の問題
底面の半径が 、母線の長さが の円錐があります。底面の円周上に点 をとります。点 から円錐の側面にそって糸を 周巻きつけ、再び点 まで戻します。糸の長さがもっとも短くなるときの糸の長さは何 ですか。
この問題で使うもの
- 円錐の側面にそった最短経路(説明と入口の問題)
- 円錐の展開図と側面積(説明と入口の問題)
- 三平方の定理(説明と入口の問題)
- 平方根の意味と根号の簡単化(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(20 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
円錐の側面を、点 を通る母線で切り開いた展開図を考えましょう。最短の糸は展開図の上で線分になります。
ヒント 2
展開図のおうぎ形の弧の長さは、底面の円周と等しくなります。これを使っておうぎ形の中心角を求めましょう。
ヒント 3
おうぎ形の中心角は です。展開図の弧の両端を , 、頂点を とすると、 はどんな三角形でしょうか。
答えと解説
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解説を読む
円錐の頂点を とし、母線 で側面を切り開くと、側面の展開図は半径 のおうぎ形になります。点 は、展開図ではおうぎ形の弧の両端 , に分かれます。
おうぎ形の弧の長さは底面の円周と等しいので
半径 の円の円周は なので、おうぎ形の中心角は
です。
側面にそって 周する糸がもっとも短くなるのは、展開図で糸が線分 になるときです。 は 、 の直角二等辺三角形なので、三平方の定理より
よって、糸の長さの最小値は です。
別解
円錐の側面を展開するとおうぎ形になり、半径は母線の 、弧の長さは底面の円周 。中心角は 。点Aから側面を1周して戻る糸は、展開図ではおうぎ形の一方の端の弧上の点Aから、もう一方の端の弧上の点A'へ結ぶ線になる。中心角が なので、最短は直線AA'で、これは直角二等辺三角形(直角をはさむ2辺が )の斜辺。AA'。検算: 。直線はおうぎ形の内部を通る(中心角が より小さいため)。