几何图形与立体图形的展开图
几何图形分立体图形与平面图形,由点线面体构成;把立体表面沿棱剪开铺平得到展开图,正方体有 11 种展开图,可借此求表面最短路径。
适用前提与边界条件
- 能从实物中抽象出几何图形
- 认识常见几何体的名称与面的形状
定义
几何图形:从实物中抽象出的形状、大小和位置关系。各部分不都在同一平面内的是立体图形(棱柱、棱锥、圆柱、圆锥、球等);各部分都在同一平面内的是平面图形(线段、角、三角形、圆等)。
立体图形由面围成,面与面相交形成线,线与线相交形成点。
展开图:把立体图形的表面沿适当的棱剪开,展开成的平面图形。
推导(展开图规律)
常见几何体展开图:
| 立体图形 | 展开图组成 |
|---|---|
| 圆柱 | 1 个长方形 + 2 个全等的圆 |
| 圆锥 | 1 个扇形 + 1 个圆 |
| n 棱柱 | n 个长方形 + 2 个全等 n 边形 |
| n 棱锥 | n 个三角形 + 1 个 n 边形 |
正方体的 11 种展开图(6 个面全是正方形):
- 一四一型:中间一行 4 个、上下各 1 个(上块位置 4 种、下块位置 4 种去重后),共 6 种;
- 一三二型:各行分别 1、3、2 个,共 3 种;
- 二二二型:每行 2 个呈阶梯状,1 种;
- 三三型:两行各 3 个错开一格,1 种。
排除规则:出现「田」字形四连片、「凹」字形、或一行(列)出现 5 个及以上正方形的,折叠时必有面重叠,不是正方体展开图。
相对面判断:展开图中同一行(列)上隔一个正方形的两个面折成正方体后相对;相对面在立体上不相邻、不共棱。
更实用的两条口诀:
- 同层隔一面:同一行(列)中间隔着一个正方形的两个面,折叠后相对
- 异层看 Z 端:不在同一行时,沿阶梯走出的「Z」字,首尾两个面相对
判断「哪个面与哪个面相邻」时,反过来用即可:相对的面一定不相邻、不共棱、不共顶点。
表面最短路径:立体表面上两点的最短路径不能直接穿过内部。把相关的面展开到同一平面,路径变为连接两点的线段(两点之间线段最短),其长度由勾股定理计算,再对应回立体表面。
表面最短路径的三步
这类题有固定套路:
- 展开:把路径可能经过的面沿棱剪开,摊到同一平面上。若有多种展开方式,要逐一算出来再比较
- 连线:在展开图上连接起点与终点,由两点之间线段最短,最短路径就是这条线段
- 计算:用勾股定理求这条线段的长度
漏掉第 1 步里的「多种展开方式」是最常见的失分点——长方体从一个顶点到相对顶点有三种展开方式,三种都要算,取最小值才是答案。
典例精析
长方体底面为边长 的正方形、高 ,蚂蚁从下底面顶点 沿表面爬到与它相对的上底面顶点 ,求最短路径。
展开 所在侧面与 所在的上底面(或相邻侧面)到同一平面,最短路径成为直角三角形斜边:
(不同展开方式给出 等,比较取最小,答案为 。)
再看圆柱:底面周长为 、高为 的圆柱,蚂蚁从下底面一点绕侧面一周爬到正上方的上底面一点,最短路径是多少?
沿一条母线剪开,侧面展开是长为 (底面周长)、宽为 (高)的长方形。绕一周意味着横向要走满一个周长,起点与终点在展开图上是长方形的对角端点:
展开后画个图,这类题就变成了勾股定理的直接应用。
与其他知识的联系
展开图是把立体问题化归为平面问题的典型手段,这一思想贯穿后续几何:
- 投影与视图:从三个方向看立体,同样是把三维信息压到二维上处理
- 勾股定理:表面最短路径的最后一步几乎都要用到它
- 表面积计算:展开图的面积就是立体图形的表面积,圆柱侧面积 正来自「侧面展开是长方形」
到高中学习立体几何时,展开与截面仍是处理空间问题的两把常用钥匙。
对比
| 几何体 | 侧面展开 | 底面 |
|---|---|---|
| 圆柱 | 长方形 | 两个圆 |
| 圆锥 | 扇形 | 一个圆 |
| 棱柱 | 若干长方形 | 两个多边形 |
| 棱锥 | 若干三角形 | 一个多边形 |
| 球 | 不存在无重叠平面展开图 | — |
正例与反例
✅ 正例
- 圆柱侧面沿一条母线剪开是长方形,圆锥侧面沿一条母线剪开是扇形
- 正方体「一四一」型展开图:中间 4 个面围侧面,上下两个面分别为底
❌ 反例
- 5 个正方形排成一行当展开图——侧面一圈只需 4 个,多余面折叠重叠
- 球也有展开图——球面不能无重叠地展开成平面图形
高频误解与考试易错
- 含「田」字形或一行超过 4 个正方形的排列不是正方体展开图,折叠会重叠
- 判断展开图中的相对面:同一行(列)隔一个面相对,或用 Z 字两端记忆
- 求表面最短路径要先展开到同一平面,再用两点之间线段最短加勾股定理
常见问题
正方体的 11 种展开图怎么分类?
点、线、面、体之间是什么关系?
n 棱柱有几个面、棱、顶点?
依据与出处
- 人教版(2024 审定)七年级上册 第六章《几何图形初步》