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  • 2021-06-16 发布

2020年高中数学新教材同步必修第二册 第8章 微专题2 与球有关的内切、外接问题

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第八章 立体几何初步 与球有关的内切、外接问题是立体几何的一个重点(切、接问题的解题思路 类似,此处以多面体的外接球为例).研究多面体的外接球问题,既要运用多面 体的知识,又要运用球的知识,并且还要特别注意多面体的有关几何元素与球 的半径之间的关系. 一、直接法(公式法) 例1 (1)一个长方体的各顶点均在同一球面上,且一个顶点上的三条棱长分别为 1,2,3,则此球的表面积为________.14π 解析 因为长方体内接于球,所以它的体对角线正好为球的直径,长方体体对角线 长为 ,故球的表面积为14π. (2)一个六棱柱的底面是正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一 个球面上,且该六棱柱的体积为 ,底面周长为3,则这个球的体积为_____. 解析 设正六棱柱的底面边长为x,高为h, 反思 感悟 本题运用公式R2=r2+d2求球的半径,该公式是求球的半径的常用公式. 二、构造法(补形法) 1.构造正方体 例2-1 (1)一个四面体的所有棱长都为 ,四个顶点在同一球面上,则此球的表面积为 A.3π B.4π C. D.6π √ 解析 联想只有正方体中有这么多相等的线段,所以构造一个正方体, 则正方体的面对角线即为四面体的棱长, 所以此球的表面积为3π. (2)在等腰梯形ABCD中,AB=2DC=2,∠DAB=60°,E为AB的中点,将△ADE与 △BEC分别沿ED,EC向上折起,使A,B重合于点P,则三棱锥P-DCE的外接球的 体积为 √ 解析 如图,因为AE=EB=DC=1,∠DAB=∠CBE=∠DEA=60°, 所以AD=AE=EB=BC=DC=DE=CE=1, 2.构造长方体 例2-2 (1)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且三条侧棱长分别为1, 则其 外接球的表面积是______.6π 解析 据题意可知,该三棱锥的三条侧棱两两垂直, 于是长方体的外接球就是三棱锥的外接球. 设其外接球的半径为R, 故其外接球的表面积S=4πR2=6π. (2)已知球O的面上四点A,B,C,D,DA⊥平面ABC,AB⊥BC,DA=AB= , BC= ,则球O的体积等于_______. 解析 因为DA⊥平面ABC,AB⊥BC, 所以DA,AB,BC两两垂直,构造如图所示的长方体, (3)已知点A,B,C,D在同一个球面上,AB⊥平面BCD,BC⊥DC,若AB=6,AC = ,AD=8,则B,C两点间的球面距离是_____. 解析 因为AB⊥平面BCD,BC⊥DC, 所以AB,BC,DC两两垂直,构造如图所示的长方体, 则AD为球的直径,AD的中点O为球心,OB=OC=4为半径, 要求B,C两点间的球面距离, 只要求出∠BOC即可, 反思 感悟 一般地,若一个三棱锥的三条侧棱两两垂直,且其长度分别为a,b,c,则 就可以将这个三棱锥补成一个长方体,于是长方体的体对角线的长就是该 三棱锥的外接球的直径.设其外接球的半径为R,则有2R= . 三、寻求轴截面圆半径法 例3 正四棱锥S-ABCD的底面边长和各侧棱长都为 ,点S,A,B,C,D都在同一 球面上,则此球的体积为_____. 解析 设正四棱锥的底面中心为O1,外接球的球心为O,如图所示. ∴由球的截面的性质,可得OO1⊥平面ABCD. 又SO1⊥平面ABCD,∴球心O必在SO1所在的直线上. ∴△ASC的外接圆就是外接球的一个轴截面圆,外接圆的半径就是 外接球的半径. 得SA2+SC2=AC2. ∴△ASC是以AC为斜边的直角三角形. 反思 感悟 根据题意,我们可以选择最佳角度找出含有正棱锥特征元素的外接球的一个 轴截面圆,于是该圆的半径就是所求的外接球的半径.本题提供的这种思路 是探求正棱锥外接球半径的通解通法,该方法的实质就是通过寻找外接球的 一个轴截面圆,从而把立体几何问题转化为平面几何问题来研究.这种等价 转化的数学思想方法值得我们学习. 四、确定球心位置法 例4 已知三棱锥的四个顶点都在球O的球面上,AB⊥BC且PA=7,PB=5,PC= , AC=10,则球O的体积为_______. 所以知AC2=PA2+PC2,所以PA⊥PC,如图所示, 在Rt△ABC中斜边为AC,在Rt△PAC中斜边为AC,取斜边的中点O, 在Rt△ABC中OA=OB=OC,在Rt△PAC中OP=OA=OC, 所以在几何体中OP=OB=OC=OA, 本课结束 更多精彩内容请登录:www.91taoke.com