题目内容

15.某校一个校园景观的主题为“托起明天的太阳”,其主体是一个半径为5米的球体,需设计一个透明的支撑物将其托起,该支撑物为等边圆柱形的侧面,厚度忽略不计.轴截面如图所示,设∠OAB=α.(注:底面直径和高相等的圆柱叫做等边圆柱.)
(1)用α表示圆柱的高;
(2)实践表明,当球心O和圆柱底面圆周上的点D的距离达到最大时,景观的观赏效果最佳,求此时α的值.

分析 (1)作OM⊥AB于点M,利用直角三角形的边角关系可得:AM=OAcosα=5cosα,由已知可得四边形ABCD为正方形,即可得出.
(2)由余弦定理得:$O{D^2}={5^2}+{(10cosα)^2}-2×5×(10cosα)cos(\frac{π}{2}+α)$,利用倍角公式、和差公式、三角函数的图象与性质即可得出.

解答 解:(1)作OM⊥AB于点M,则在直角三角形OAM中,
因为∠OAB=α,
所以AM=OAcosα=5cosα,…(3分)
因为四边形ABCD是等边圆柱的轴截面,
所以四边形ABCD为正方形,
所以AD=AB=2AM=10cosα. …(6分)
(2)由余弦定理得:$O{D^2}={5^2}+{(10cosα)^2}-2×5×(10cosα)cos(\frac{π}{2}+α)$…(8分)
=25+100cos2α+50sin2α
=25+50(1+cos2α)+50sin2α
=50(sin2α+cos2α)+75
=50$\sqrt{2}$sin$(2α+\frac{π}{4})$+75.…(10分)
因为$α∈(0,\frac{π}{2})$,所以$2α+\frac{π}{4}∈(\frac{π}{4},\frac{5π}{4})$,
所以当2α+$\frac{π}{4}$=$\frac{π}{2}$,即$α=\frac{π}{8}$时,OD2取得最大值$50\sqrt{2}+75$=$25{(\sqrt{2}+1)^2}$,…(12分)
所以当α=$\frac{π}{8}$时,OD的最大值为$5(\sqrt{2}+1)$.
答:当α=$\frac{π}{8}$时,观赏效果最佳.          …(14分)

点评 本题考查了直角三角形的边角关系、正方形的性质、余弦定理、倍角公式、和差公式、三角函数的图象与性质,考查了推理能力与计算能力,属于中档题.

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