Đáp án đúng: C
Phương pháp giải:
- Xác định tâm mặt cầu ngoại tiếp khối hộp.
- Sử dụng định lí Pytago tính chiều cao của khối hộp theo \(R\).
- Tính thể tích khối hộp, sử dụng công thức \(V = AB.AD.AA'\), sau đo sử dụng phương pháp hàm số để tìm giá trị lớn nhất của hàm số.
Giải chi tiết:
Gọi \(O\) là tâm hình hộp chữ nhật. Khi đó \(O\) là tâm mặt cầu ngoại tiếp hình hộp \(ABCD.A'B'C'D'\) và bán kính mặt cầu là \(R = OA\).
Gọi \(I,\,\,I'\) lần lượt là tâm của hai đáy \(ABCD\) và \(A'B'C'D'\).
\( \Rightarrow II' \bot \left( {ABCD} \right)\) và \(O\) là trung điểm của \(II'\).
Áp dụng định lí Pytago trong tam giác vuông \(ABC\) ta có:
\(AC = \sqrt {A{B^2} + B{C^2}} = \sqrt {4{x^2} + {x^2}} = x\sqrt 5 \).
\( \Rightarrow AI = \dfrac{1}{2}AC = \dfrac{{x\sqrt 5 }}{2}\).
Áp dụng định Pytago trong tam giác vuông \(OAI\) có:
\(OI = \sqrt {O{A^2} - A{I^2}} = \sqrt {{R^2} - \dfrac{{5{x^2}}}{4}} \).
\( \Rightarrow II' = 2OI = 2\sqrt {{R^2} - \dfrac{{5{x^2}}}{4}} = \sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} = AA'\).
Do đó thể tích khối hộp chữ nhật là:
\({V_{ABCD.A'B'C'D'}} = AA'.AB.AD = \sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} .2{x^2}\).
Xét hàm số \(f\left( x \right) = \sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} .2{x^2}\,\,\left( {0 < x \le \dfrac{2}{{\sqrt 5 }}R} \right)\) ta có:
\(\begin{array}{l}f'\left( x \right) = \dfrac{{ - 10x}}{{2\sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} }}.2{x^2} + \sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} .4x\\f'\left( x \right) = \dfrac{{ - 10{x^3} + \left( {4{R^2} - 5{x^2}} \right).4x}}{{\sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} }}\\f'\left( x \right) = \dfrac{{16{R^2}x - 30{x^3}}}{{\sqrt {4{R^2} - 5{x^2}} }}\end{array}\)
Khi đó
\(\begin{array}{l}f'\left( x \right) = 0 \Leftrightarrow 16{R^2}x - 30{x^3} = 0\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Leftrightarrow 2x\left( {8{R^2} - 15{x^2}} \right) = 0\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Leftrightarrow \left[ \begin{array}{l}x = 0\,\,\,\,\,\left( {loai} \right)\\x = \dfrac{{2\sqrt {30} R}}{{15}}\,\,\,\left( {tm} \right)\\x = - \dfrac{{2\sqrt {30} R}}{{15}}\,\,\left( {loai} \right)\end{array} \right.\end{array}\)
Ta có BBT:
Từ BBT suy ra \(\mathop {\max }\limits_{\left( {0;\dfrac{{2R}}{{\sqrt 5 }}} \right]} f\left( x \right) = f\left( {\dfrac{{2\sqrt {30} R}}{{15}}} \right) \Leftrightarrow x = \dfrac{{2\sqrt {30} R}}{{15}}\).
Vậy thể tích khối hộp đã cho đạt giá trị lớn nhất khi \(x = \dfrac{{2\sqrt {30} R}}{{15}}\).
Chọn C.
