2022 新高考Ⅰ卷 - 第04题 (单选题)

棱台体积与实际应用估算
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 棱台体积公式: \( V = \frac{1}{3}h(S_1 + S_2 + \sqrt{S_1 S_2}) \),其中 \( h \) 为高,\( S_1, S_2 \) 分别为上下两底面面积。
  • 单位换算: \( 1\text{ km} = 10^3\text{ m} \implies 1\text{ km}^2 = 10^6\text{ m}^2 \)。

4. 南水北调工程缓解了北方一些地区水资源短缺问题,其中一部分水蓄入某水库. 已知该水库水位为海拔 \( 148.5\text{ m} \) 时,相应水面的面积为 \( 140.0\text{ km}^2 \);水位为海拔 \( 157.5\text{ m} \) 时,相应水面的面积为 \( 180.0\text{ km}^2 \),将该水库在这两个水位间的形状看作一个棱台,则该水库水位从海拔 \( 148.5\text{ m} \) 上升到 \( 157.5\text{ m} \) 时,增加的水量约为(\( \sqrt{7} \approx 2.65 \))(  )

  • A. \( 1.0 \times 10^9\text{ m}^3 \)
  • B. \( 1.2 \times 10^9\text{ m}^3 \)
  • C. \( 1.4 \times 10^9\text{ m}^3 \)
  • D. \( 1.6 \times 10^9\text{ m}^3 \)
基于数学引擎的绝对精确动态绘图

思路与规范推导

破题思路全景图

计算高:h = 157.5 - 148.5 = 9 (m)
面积单位换算:S₁ = 140 × 10⁶ m²,S₂ = 180 × 10⁶ m²
代入棱台体积公式:V = 1/3·h(S₁ + S₂ + √(S₁S₂))
展开化简提取公因数,用 √7 ≈ 2.65 算出约 1.4×10⁹ 选 C

最优解法深度剖析

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【解析详解】

第一步:计算棱台的高 \( h \):

\[ h = 157.5 - 148.5 = 9\text{ (m)} \]

第二步:统一单位。两底面积分别为:

\[ S = 140.0\text{ km}^2 = 140 \times 10^6\text{ m}^2, \quad S' = 180.0\text{ km}^2 = 180 \times 10^6\text{ m}^2 \]

第三步:套用棱台体积公式:

\[ V = \frac{1}{3}h(S + S' + \sqrt{SS'}) \]
\[ = \frac{1}{3} \times 9 \times \left(140 \times 10^6 + 180 \times 10^6 + \sqrt{140 \times 180 \times 10^{12}}\right) \]

化简根式部分:\( \sqrt{140 \times 180} = \sqrt{25200} = 60\sqrt{7} \):

\[ V = 3 \times (320 + 60\sqrt{7}) \times 10^6 = (960 + 180\sqrt{7}) \times 10^6 \]

代入 \( \sqrt{7} \approx 2.65 \):

\[ V \approx (960 + 180 \times 2.65) \times 10^6 = (960 + 477) \times 10^6 = 1437 \times 10^6\text{ m}^3 \approx 1.4 \times 10^9\text{ m}^3 \]

故选 C

干扰项排雷

误选 A 或 B: 忽略中间项 \( \sqrt{S S'} \),简单算成直棱柱或平均截面乘以高,或者开方算错。

误选 D: 单位换算时将 \( 1\text{ km}^2 \) 当成了 \( 10^3\text{ m}^2 \),或者估算进位错误。

最终答案核对

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正确答案:C

核心模型与结论

几何体体积建模与拟柱体模型:凡台体体积均为 \( V = \frac{1}{3}h(S_{\text{上}} + S_{\text{下}} + \sqrt{S_{\text{上}}S_{\text{下}}}) \)。

易错警示与避坑

单位进率大坑!\( 1\text{ km} = 1000\text{ m} \),但面积是平方关系:\( 1\text{ km}^2 = (10^3\text{ m})^2 = 10^6\text{ m}^2 \)!高中生极易粗心漏写 3 个零。

高分技法与秒杀

快速放缩估算法:中间面积平均值 \( \bar{S} \approx \frac{140+180}{2} = 160 \),体积约为 \( 160 \times 10^6 \times 9 = 1.44 \times 10^9 \text{ m}^3 \),对照选项只有 1.4 最接近,直接 10 秒秒杀 C!

诊断与进阶指南

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