空間図形の問題
頂点を とし、底面の半径が 、母線の長さが の円錐があります。底面の円周上の点を とし、母線 の中点を とします。点 から円錐の側面にそって 周するように糸をかけ、点 まで張ります。糸の長さがもっとも短くなるとき、その長さは何 か求めなさい。
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)
- 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
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ヒント 1
円錐の側面を母線 で切り開いた展開図(おうぎ形)で考えましょう。 周する糸は、展開図では から、もう一方の端の半径上にある まで張られます。
ヒント 2
おうぎ形の弧の長さは底面の円周の長さに等しいので、中心角が求まります。
ヒント 3
中心角は です。展開図で と を結ぶ線分を斜辺とする直角三角形を考えましょう。
答えと解説
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解説を読む
円錐の側面を母線 で切り開くと、展開図はおうぎ形になります。切り開いたとき、点 は と の つに分かれ、点 は 上と 上に分かれます。糸は側面を 周するので、展開図では点 から、 上の点 ()まで張られます。
おうぎ形の中心角
おうぎ形の半径は母線の長さ 、弧の長さは底面の円周の長さ です。中心角を とすると
最短の長さ
糸の長さ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。、、 なので、 で三平方の定理より
なので
別解
円錐の側面を展開すると、半径 のおうぎ形になる。中心角を とすると、弧の長さが底面の円周 に等しいので より 。したがって中心角は 。
点 から側面を 1 周して まで張る糸は、展開図では、一方の半径の端 から、もう一方の半径上にある ()までの線分になる。このとき で、、 である。糸の長さがもっとも短くなるのはこの線分のときで、三平方の定理より 、。
検算: で一致する。また中心角が より小さいので線分はおうぎ形の内部を通り、糸として成り立つ。