题目
一个底面半径为4cm,高为9cm的封闭圆柱形容器(容器壁厚度忽略不计)内有两个半径相等的铁球,则铁球半径的最大值为 ____ cm.
一个底面半径为4cm,高为9cm的封闭圆柱形容器(容器壁厚度忽略不计)内有两个半径相等的铁球,则铁球半径的最大值为 ____ cm.
题目解答
答案
解:若两铁球相切,且下方铁球与底面和侧面均相切,轴截面如图,

则球的半径R=4,此时4R=16>9,故不符合题意;
若两铁球相切,且上方铁球与上底面相切,下方铁球与下底面相切,
两球心均在圆柱上下底面中心连线上,如图,

则铁球半径R满足4R=9,此时R=$\frac{9}{4}$;
若两铁球相切,且上方铁球与上底面相切,下方铁球与下底面相切,
两球心分别在圆柱轴截面对角的角平分线上,轴截面如图,

其中AC为轴截面对角线,O1、O2为两球球心,
分别过O1作AD的平行线,过O2作CD的平行线,两线交于点M,
设铁球半径为R,
则MO1=8-2R,O2M=9-2R,O1O2=2R,
所以(9-2R)2+(8-2R)2=4R2,
解得R=$\frac{5}{2}$或R=$\frac{29}{2}$(舍去),
故此时R=$\frac{5}{2}$.
综上,铁球半径的最大值为$\frac{5}{2}$.
故答案为:$\frac{5}{2}$.

则球的半径R=4,此时4R=16>9,故不符合题意;
若两铁球相切,且上方铁球与上底面相切,下方铁球与下底面相切,
两球心均在圆柱上下底面中心连线上,如图,

则铁球半径R满足4R=9,此时R=$\frac{9}{4}$;
若两铁球相切,且上方铁球与上底面相切,下方铁球与下底面相切,
两球心分别在圆柱轴截面对角的角平分线上,轴截面如图,

其中AC为轴截面对角线,O1、O2为两球球心,
分别过O1作AD的平行线,过O2作CD的平行线,两线交于点M,
设铁球半径为R,
则MO1=8-2R,O2M=9-2R,O1O2=2R,
所以(9-2R)2+(8-2R)2=4R2,
解得R=$\frac{5}{2}$或R=$\frac{29}{2}$(舍去),
故此时R=$\frac{5}{2}$.
综上,铁球半径的最大值为$\frac{5}{2}$.
故答案为:$\frac{5}{2}$.
解析
考查要点:本题主要考查空间几何中圆柱体内放置球体的最大半径问题,涉及球体与圆柱面、底面的相切条件,以及勾股定理的应用。
解题核心思路:
- 确定可能的放置方式:考虑两球相切且分别与圆柱的底面或侧面相切的不同情况,分析哪种情况能允许球的最大半径。
- 建立几何关系:通过轴截面分析球心位置,利用勾股定理建立方程求解。
- 比较不同情况的结果:排除不符合条件的情况,选择最大值。
破题关键点:
- 轴截面对角线方向放置:当两球沿轴截面对角线方向排列时,可利用勾股定理建立方程,得到更大的半径值。
- 排除不可能情况:如两球同时接触侧面和底面时,总高度超过圆柱高度,需舍去。
情况1:两球沿圆柱中心轴排列
若两球相切,且分别与上下底面相切,则总高度为 $4R = 9$,解得 $R = \frac{9}{4} = 2.25$ cm。但需验证是否满足侧面相切条件。
结论:此情况可行,但半径较小。
情况2:两球沿轴截面对角线方向排列
- 几何关系分析:
- 下方球心 $O_1$ 到下底面距离为 $R$,到左侧距离为 $R$,故坐标为 $(-4 + R, R)$。
- 上方球心 $O_2$ 到上底面距离为 $R$,到右侧距离为 $R$,故坐标为 $(4 - R, 9 - R)$。
- 球心距离方程:
两球相切,球心距离为 $2R$,故有:
$\sqrt{[(4 - R) - (-4 + R)]^2 + [(9 - R) - R]^2} = 2R$
化简得:
$(8 - 2R)^2 + (9 - 2R)^2 = (2R)^2$ - 解方程:
展开并整理得:
$4R^2 - 68R + 145 = 0$
解得 $R = \frac{5}{2}$ 或 $R = \frac{29}{2}$(舍去不合理解)。
结论:此情况半径为 $R = \frac{5}{2} = 2.5$ cm,大于情况1。
综合比较
情况2的半径更大,故铁球半径的最大值为 $\frac{5}{2}$ cm。