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- 2021-05-14 发布
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热点七 几何体与球切、接的问题
纵观近几年高考对于组合体的考查,与球相关的外接与内切问题是高考命题的热点之一.高考命题小题综合化倾向尤为明显,要求学生有较强的空间想象能力和准确的计算能力,才能顺利解答.从实际教学来看,这部分知识学生掌握较为薄弱、认识较为模糊,看到就头疼的题目.分析原因,除了这类题目的入手确实不易之外,主要是学生没有形成解题的模式和套路,以至于遇到类似的题目便产生畏惧心理. 下面结合近几年高考题对球与几何体的切接问题作深入的探究,以便更好地把握高考命题的趋势和高考的命题思路,力争在这部分内容不失分.从近几年全国高考命题来看,这部分内容以选择题、填空题为主,大题很少见.
首先明确定义1:若一个多面体的各顶点都在一个球的球面上,则称这个多面体是这个球的内接多面体,这个球是这个多面体的外接球。
定义2:若一个多面体的各面都与一个球的球面相切, 则称这个多面体是这个球的外切多面体,这个球是这个多面体的内切球.
1 球与柱体的切接
规则的柱体,如正方体、长方体、正棱柱等能够和球进行充分的组合,以外接和内切两种形态进行结合,通过球的半径和棱柱的棱产生联系,然后考查几何体的体积或者表面积等相关问题.
1.1 球与正方体
如图所示,正方体,设正方体的棱长为,为棱的中点,为球的球心.常见组合方式有三类:一是球为正方体的内切球,截面图为正方形和其内切圆,则;二是与正方体各棱相切的球,截面图为正方形和其外接圆,则;三是球为正方体的外接球,截面图为长方形和其外接圆,则.通过这三种类型可以发现,解决正方体与球的组合问题,常用工具是截面图,即根据组合的形式找到两个几何体的轴截面,通过两个截面图的位置关系,确定好正方体的棱与球的半径的关系,进而将空间问题转化为平面问题.
(1)正方体的内切球,如图1. 位置关系:正方体的六个面都与一个球都相切,正方体中心与球心重合;
数据关系:设正方体的棱长为,球的半径为,这时有.
(2)正方体的外接球,如图2. 位置关系:正方体的八个顶点在同一个球面上;正方体中心与球心重合;
数据关系:设正方体的棱长为,球的半径为,这时有.
(3)正方体的棱切球,如图3. 位置关系:正方体的十二条棱与球面相切,正方体中心与球心重合;
数据关系:设正方体的棱长为,球的半径为,这时有.
例 1【2018届福建省三明市A片区高中联盟校高三上学期期末】某几何体的三视图如图所示,则该几何体的外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【针对练习】
1.如图,虚线小方格是边长为1的正方形,粗实(虚)线画出的是某几何体的三视图,则该几何体外接球的表面积为
A.36π B. 32π C.9π D.8π
答案及解析:
1.B
几何体的直观图如图所示为三棱锥,三棱锥中,
,所以外接球的直径为,则半径,所以外接球的表面积,故选B.
1.1 球与长方体
例 2 自半径为的球面上一点,引球的三条两两垂直的弦,求的值.
【答案】.
【解析】以为从一个顶点出发的三条棱,将三棱锥补成一个长方体,则另外四个顶点必在球面上,故长方体是球的内接长方体,则长方体的对角线长是球的直径.
=.
例 3【2018届二轮复习专题】《九章算术》中,将底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称之为阳马;将四个面都为直角三角形的三棱锥称之为鳖臑.若三棱锥PABC为鳖臑,PA⊥平面ABC,PA=AB=2,AC=4,三棱锥PABC的四个顶点都在球O的球面上,则球O的表面积为( )
A. 8π B. 12π
C. 20π D. 24π
【答案】C
【针对练习】 1.已知边长为2的等边三角形ABC,D为BC的中点,以AD为折痕,将△ABC折成直二面角,则过A,B,C,D四点的球的表面积为
A. 2π B. 3π C. 4π D. 5π
答案及解析:
1.D折后的图形可放到一个长方体中,其体对角线长为, 故其外接球的半径为,其表面积为.故选D.
2 球与锥体的切接
规则的锥体,如正四面体、正棱锥、特殊的一些棱锥等能够和球进行充分的组合,以外接和内切两种形态进行结合,通过球的半径和棱锥的棱和高产生联系,然后考查几何体的体积或者表面积等相关问题.
2.1正四面体与球的切接问题
(1) 正四面体的内切球,如图4. 位置关系:正四面体的四个面都与一个球相切,正四面体的中心与球心重合;
数据关系:设正四面体的棱长为,高为;球的半径为,这时有;(可以利用体积桥证明)
(2) 正四面体的外接球,如图5. 位置关系:正四面体的四个顶点都在一个球面上,正四面体的中心与球心重合;
数据关系:设正四面体的棱长为,高为;球的半径为,这时有;(可用正四面体高减去内切球的半径得到)
(3) 正四面体的棱切球,如图6. 位置关系:正四面体的六条棱与球面相切,正四面体的中心与球心重合;
数据关系:设正四面体的棱长为,高为;球的半径为,这时有
例 4【2018届广西防城港市高三1月模拟】各面均为等边三角形的四面体的外接球的表面积为,过棱作球的截面,则截面面积的最小值为__________.
【答案】
【解析】将四面体放回一个正方体中,使正四面体的棱都是正方体的面对角线,那么正四面体和正方体的外接球是同一个球,当AB是截面圆的直径时,截面面积最小.
因外接球的表面积为,则球的直径为,则正方体的体对角线为,棱长为1,面对角线为,截面圆面积最小值为.
点评:与球有关的组合体问题,一种是内切,一种是外接.解题时要认真分析图形,明确切点和接点的位置,确定有关元素间的数量关系,并作出合适的截面图.
【针对练习】
1.设A,B,C,D是同一个半径为4的球的球面上四点,△ABC为等边三角形且其面积为,则三棱锥D-ABC体积的最大值为 ( )
A. B. C. D.
答案及解析:
1.C
2.在四面体ABCD中,,则四面体体积最大时,它的外接球半径R= .
答案及解析:
2.
如图,
取AB中点E,连接CE,DE,
设AB=2x(0<x<1),则CE=DE=,
∴当平面ABC⊥平面ABD时,四面体体积最大,
为V===.
V′=,当x∈(0,)时,V为增函数,当x∈(,1)时,V为减函数,
则当x=时,V有最大值.
设△ABD的外心为G,△ABC的外心为H,
分别过G、H作平面ABD、平面ABC的垂线交于O,则O为四面体ABCD的外接球的球心.
在△ABD中,有sin,则cos,
∴sin=.
设△ABD的外接圆的半径为r,则,即DG=r=.
又DE=,∴OG=HE=GE=.
∴它的外接球半径R=OD=.
2.2其它棱锥与球的切接问题
球与正棱锥的组合,常见的有两类,一是球为三棱锥的外接球,此时三棱锥的各个顶点在球面上,根据截面图的特点,可以构造直角三角形进行求解.二是球为正棱锥的内切球,例如正三棱锥的内切球,球与正三棱锥四个面相切,球心到四个面的距离相等,都为球半径.这样求球的半径可转化为球球心到三棱锥面的距离,故可采用等体积法解决,即四个小三棱锥的体积和为正三棱锥的体积.
球与一些特殊的棱锥进行组合,一定要抓住棱锥的几何性质,可综合利用截面法、补形法等进行求解.例如,四个面都是直角三角形的三棱锥,可利用直角三角形斜边中点几何特征,巧定球心位置.
例5【湖南省长沙市长郡中学2017届高三摸底】已知边长为的菱形中,,沿对角线折成二面角为的四面体,则四面体的外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
【答案】D
例6【江西省新余市第一中学2017届高三上学期调研考试(一)】某几何体的正视图和侧视图如图(1)所示, 它的府视图的直观图是,如图(2)所示, 其中,则该几何体的外接球的表面积为 .
【答案】
【解析】
由斜二测画法易知,该几何体的俯视图是一个边长为4的等边三角形,再结合正视图和侧视图可知,该几何体是如下图所示的高为4的三棱锥D-ABC,将其补形为三棱柱ABC-EDF,设球心为O,的中心为,则,所以该几何体的外接球的半径,其表面积为.
例7【2018届山西省太原十二中高三上学期1月】在四棱锥中, 底面,底面为正方形, , ,记四棱锥的外接球与三棱锥的外接球的表面积分别为,则___.
【答案】
【解析】设正方形的边长为,设为的中点,因为平面,而平面
,所以,又,故,又,故平面, 平面,所以,故为直角三角形, 为斜边,所以.同理也为直角三角形,结合 ,所以,又, ,所以平面, 平面,所以, 为直角三角形,所以, 为三棱锥 外接球的球心,且半径.同理设为的中点,则为四棱锥外接球的球心,且半径,所以.填.
点睛:球的半径的计算,关键在球心位置的确定,三棱锥中均为直角三角形,因此外接球的球心就是的中点,因为它到四个顶点的距离是相等的.同理四棱锥外接球的球心就是的中点.
【针对练习】 1.已知在三棱锥P-ABC中,,,,平面PAB⊥平面ABC,若三棱锥的顶点在同一个球面上,则该球的表面积为( )
A. B. C. D.
答案及解析:
1.B试题分析:如下图所示,设球心为,则可知球心在面的投影在外心,即中点处,取中点,连,,,,由题意得,面,∴在四边形中,设,∴半径,,即球心即为中点,∴表面积,故选B.
2.在四面体S﹣ABC中,SA⊥平面ABC,∠BAC=120°,SA=AC=2,AB=1,则该四面体的外接球的表面积为
A.11π B. C. D.
答案及解析:
2.D ∵AC=2,AB=1,∠BAC=120°,
∴BC= ,
∴三角形ABC的外接圆半径为r,2r= ,r= ,
∵SA⊥平面ABC,SA=2,
由于三角形OSA为等腰三角形,O是外接球的球心.
则有该三棱锥的外接球的半径R= ,
∴该三棱锥的外接球的表面积为S=4πR2= .
选D.
3.在四面体ABCD中,△BCD与△ACD均是边长为4的等边三角形,二面角A-CD-B的大小为60°,则四面体ABCD外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
答案及解析:
3.A
根据题意得到这个模型是两个全等的三角形,二面角大小为,取CD的中点记为O,连结OB,OA,根据题意需要找到外接球的球心,选择OA的离O点近的3等分店记为E,同理去OB上一点记为F,自这两点分别做两个面的垂线,交于点P,则点P就是球心。在三角形POE中,角POE为三十度,OE=
故答案为:A.
4.已知在三棱锥 A - BCD中,,,底面BCD为等边三角形,且平面ABD⊥平面BCD,则三棱锥A - BCD外接球的表面积为 .
答案及解析:
4.16π
取BD的中点E,连接AE,CE,取CE的三等分点为O,使得CO=2OE,则O为等边△BCD的中心.由于平面ABD⊥平面BCD,且平面ABD∩平面BCD=BD,CE⊥BD,所以平面ACE⊥平面ABD.由于AB2+AD2=BD2,所以△ABD为直角三角形,且E为△ABD的外心,所以OA=OB=OD.又OB=OC=OD,所以O为三棱锥A-BCD外接球的球心,且球的半径
.故三棱锥A-BCD外接球的表面积为.
3 球与球相切问题
对于球与球的相切组合成复杂的几何体问题,要根据丰富的空间想象力,通过准确确定各个小球的球心的位置,或者巧借截面图等方法,将空间问题转化平面问题求解.
例8 已知有半径分别为2、3的球各两个,且这四个球彼此相外切,现有一个球与此四个球都相外切,则此球
的半径为 .
【答案】
【解析】如图:设四个球的球心分别为A、B、C、D,则AD=AC=BD=BC=5,AB=6,CD=4.设AB中点为E、
CD中点为F,连结EF.在△ABF中求得BF=,在△EBF中求得EF=.
由于对称性可得第五个球的球心O在EF上,连结OA、OD.设第五个球的半径为r,则OA=r+3,OD=r+2,
于是OE=,OF=,∵OE+OF=EF
∴平方整理再平方得
解得或(舍掉),故答案为.
例9 把四个半径都是1的球中的三个放在桌面上,使它两两外切,然后在它们上面放上第四个球,使它与
前三个都相切,求第四个球的最高点与桌面的距离.
【答案】.
【针对练习】 1.两球和在棱长为1的正方体的内部,且互相外切,若球与过点的正方体的三个面相切,球与过点的正方体的三个面相切,则球和的表面积之和的最小值为( )
A. B. C. D.
答案及解析:
1.A
4球与几何体的各条棱相切问题
球与几何体的各条棱相切问题,关键要抓住棱与球相切的几何性质,达到明确球心的位置为目的,然后通过构造直角三角形进行转换和求解.如与正四面体各棱都相切的球的半径为相对棱的一半:.
例10 把一个皮球放入如图10所示的由8根长均为20 cm的铁丝接成的四棱锥形骨架内,使皮球的表面与
8根铁丝都有接触点,则皮球的半径为( )
A.l0cm B.10 cm C.10cm D.30cm
【答案】
【解析】如图所示,由题意球心在AP上,球心为O,过O作BP的垂线ON垂足为N,ON=R,OM=R,因为各个棱都为20,所以AM=10,BP=20,BM=10,AB=,设,
在BPM中,,所以.在PAM中, ,所以
.在ABP中, ,在ONP中, ,所以
,所以.在OAM中, ,所以,
,解得,或30(舍),所以,故选B.
4 球与旋转体切接问题
首先画出球及其它旋转体的公共轴截面,然后寻找几何体与几何体几何元素之间的关系.
例11 求球与它的外切圆柱、外切等边圆锥的体积之比.
【答案】
【解析】如图,等边为圆锥的轴截面,此截面截圆柱得正方形,截球面得球的大圆圆.
设球的半径,则它的外切圆柱的高为,底面半径为;
, ,
∴,, ,
∴.
例12在棱长为1的正方体内有两个球相外切且又分别与正方体内切.(1)求两球半径之和;(2)球的半径
为多少时,两球体积之和最小.
【答案】
【解析】如图,球心和在上,过,分别作的垂线交于.
则由得.
, .
【反思提升】综合上面的五种类型,解决与球的外切问题主要是指球外切多面体与旋转体,解答时首先要找准切点,将问题转化成平面几何问题,应用三角形中的边角关系,建立与球半径的联系,将球的体积之和用或表示.如果外切的是多面体,则作截面时主要抓住多面体过球心的对角面来作;把一个多面体的几个顶点放在球面上即为球的内接问题.解决这类问题的关键是抓住内接的特点,即球心到多面体的顶点的距离等于球的半径.发挥好空间想象力,借助于数形结合进行转化,问题即可得解.如果是一些特殊的几何体,如正方体、正四面体等可以借助结论直接求解,此时结论的记忆必须准确.高考题往往与三视图相结合,题目的难易不一,在复习中切忌好高骛远,应重视各种题型的备考演练,重视高考信息的搜集,不断充实题目的类型,升华解题的境界.
【针对练习】
1.已知四棱锥S—ABCD,SA⊥平面ABCD,AB⊥BC,∠BCD+∠DAB=π,SA=2,,二面角S—BC—A的大小为.若四面体SACD的四个顶点都在同一球面上,则该球的表面积为
A. B.4π C.8π D.16π
答案及解析:
10.C
2.已知三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱垂直于底面,各顶点都在同一球面上,若该棱柱的体积为
,则此球的体积等于( )
A.B.C.D.
答案及解析:
19.B
3.
在四面体ABCD中,AD⊥底面ABC,,BC=2,E为棱BC的中点,点G在AE上且满足AG=2GE,若四面体ABCD的外接球的表面积为,则( )
A. B. C. D.2
答案及解析:
3.D
设△ABC的外心为O,则点O在AE上,设OE=r,则.
设四面体ABCD的外接球半径为R,则.
因为
所以. 故选D.
4.《九章算术》是我国古代数学名著,它在几何学中的研究比西方早一千多年,其中有很多对几何体外接球的研究,如下图,网格纸上小正方形的边长为1,粗线画出的是某几何体的三视图,则该几何体的外接球的体积是( )
A.81π B.33π C. 56π D.41π
答案及解析:
4.D
由三视图可得,该几何体是一个如图所示的四棱锥,其中是边长为4的正方形,平面平面.
设为的中点,为正方形的中心,为四棱锥外接球的球心,为外接圆的圆心,则球心为过点且与平面垂直的直线与过且与平面垂直的直线的交点.
由于为钝角三角形,故在的外部,从而球心与点P在平面的两侧.
由题意得,
设球半径为,则,
即,解得,
∴,
∴.选D.
5.正三棱柱的顶点都在同一个球面上,若球的半径为4,则该三棱柱的侧面面积的最大值为 ( )
(A) (B) (C) (D)
答案及解析:
5.A
设正三棱柱高为h,底面正三角形边长为a,则三棱柱侧面面积为 ,因为 ,所以
因此三棱柱侧面面积最大值为 ,选A
6.四棱锥P - ABCD的底面ABCD为正方形,PA⊥底面ABCD,AB=2,若该四棱锥的所有顶点都在体积为的同一球面上,则PA=( )
(A)3 (B) (C) (D)
答案及解析:
6.B
试题分析:连结交于点,取的中点,连结,则,所以底面,则到四棱锥的所有顶点的距离相等,即为球心,半径为,所以球的体积为,解得,故选B.
7.某棱锥的三视图如下图所示,则该棱锥的外接球的表面积为( )
A.11π B.12π C. 13π D.14π
答案及解析:
7.A
由三视图可知该几何体是如图所示的三棱锥,
外接球球心在过中点且垂直于平面的直线上,
又点到距离相等,∴点又在线段的垂直平分面上,
故是直线与面的交点,可知是直线与直线的交点
(分别是左侧正方体对棱的中点)
∴,,
故三棱锥外接球的半径,表面积为
8.下图是某四棱锥的三视图,网格纸上小正方形的边长为1,则该四棱锥的外接球的表面积为( )
A. B. C. 41π D.31π
答案及解析:
8.C
根据三视图得出:该几何体是镶嵌在正方体中的四棱锥O﹣ABCD,正方体的棱长为2,
A,D为棱的中点
其中.
根据几何体可以判断:球心应该在过A,D的平行于底面的中截面上,
设球心到截面BCO的距离为x,则到AD的距离为:4﹣x,
∴R2=x2+()2,R2=22+(4﹣x)2,
解得出:,
该多面体外接球的表面积为:4πR2=,
故选:C.
9.三棱锥P-ABC中,底面ABC满足,,点P在底面ABC的射影为AC的中点,且该三棱锥的体积为,当其外接球的表面积最小时,P到底面ABC的距离为 .
答案及解析:
9.
67.
在三棱锥P-ABC中,,,,,则该三棱锥的外接球的表面积为
答案及解析:
67.5π
68.
在四面体ABCD中,若AB=CD=,AC=BD=2,AD=BC=,则四面体ABCD的外接球的表面积为__________.
答案及解析:
68. 6π
69.
已知三棱锥均为等边三角形,二面角的平面角为60°,则三棱锥外接球的表面积是 .
81.
表面积为的球面上有四点,,,,且为等边三角形,球心到平面的距离为,若平面平面,则三棱锥的体积的最大值为 .
答案及解析:
81.
过O作OF⊥平面SAB,则F为△SAB的中心,过F作FE⊥SA于E点,则E为SA中点,
取AB中点D,连结SD,则∠ASD=30∘,设球O半径为r,则,解得.
连结OS,则
.
过O作OM⊥平面ABC,则当C,M,D三点共线时,C到平面SAB的距离最大,即三棱锥S−ABC体积最大.
连结OC,∵平面SAB⊥平面ABC,∴四边形OMDF是矩形,
∴三棱锥S−ABC体积.
点睛:
求三棱锥的体积时要注意三棱锥的每个面都可以作为底面,例如三棱锥的三条侧棱两两垂直,我们就选择其中的一个侧面作为底面,另一条侧棱作为高来求体积.与球有关的组合体问题,一种是内切,一种是外接.解题时要认真分析图形,明确切点和接点的位置,确定有关元素间的数量关系,并作出合适的截面图,
83.
已知三棱锥中,,当三棱锥的体积最大时,其外接球的体积为 .
答案及解析:
83.
当平面时,三棱锥的体积最大,
由于,
,则为直角三角形,
三棱锥的外接球就是以为棱的长方体的外接球,
长方体的对角线等于外接球的直径,
设外接球的半径为,
则,解得,
球体的体积为,故答案为.
87.
在三棱锥中,,,PA与平面ABC所成角的余弦值为,则三棱锥P - ABC外接球的表面积为 .
答案及解析:
87.12π
89.
在几何体中,是正三角形,平面平面,且,,则的外接球的表面积等于 .
答案及解析:
89.
由题意,取AB,PB的中点E,F,连接AF,PE,且 ,则点M为正三角形PAB的中点, ,易证PE ⊥平面ABC,取AC中点D,连接ED,
作OD∥PE,OM∥ED,连接OA,则OA为外接球的半径,又 , ,则 ,
所以外接球的表面积为 ,从而问题可得解.
91.
已知一个四面体的每个顶点都在表面积为的球的表面积,且,,则 .
答案及解析:
91.
98.
矩形中,,,平面,,,分别是,的中点,则四棱锥的外接球表面积为 .
答案及解析:
98.
99.
某艺术品公司欲生产一款迎新春工艺礼品,该礼品是由玻璃球面和该球的内接圆锥组成,圆锥的侧面用于艺术装饰,如图1.为了便于设计,可将该礼品看成是由圆O及其内接等腰三角形ABC绕底边BC上的高所在直线AO旋转180°而成,如图2.已知圆O的半径为10cm,设,圆锥的侧面积为Scm2.
(1)求S关于的函数关系式;
(2)为了达到最佳观赏效果,要求圆锥的侧面积S最大.求S取得最大值时腰AB的长度.
答案及解析:
99.
(1)设交于点,过作,垂足为,
在中,,,
在中,,
所以
,
(2)要使侧面积最大,由(1)得:
设
则,由得:
当时,,当时,
所以在区间上单调递增,在区间上单调递减,
所以在时取得极大值,也是最大值;
所以当时,侧面积取得最大值,
此时等腰三角形的腰长
答:侧面积取得最大值时,等腰三角形的腰的长度为
100.
如图,在四面体ABCD中,平面ABC⊥平面BCD,DC⊥BC,AB=,BC=2,AC=1.
(1)求证:AB⊥AD;
(2)设E是BD的中点,若直线CE与平面ACD的夹角为30°,求四面体ABCD外接球的表面积.
答案及解析:
100.
【分析】(1)证明DC⊥BC,AB⊥CD,推出AB⊥AC,然后证明AB⊥平面ADC,得到AB⊥AD.
(2)取AD的中点F,连接EF,则EF∥BA,证明EF⊥平面ADC,连接FC,说明∠ECF=30°,求出以四面体ABCD的外接球的半径然后求解即可.
【解答】解:(1)证明:由平面ABC⊥平面BCD,DC⊥BC,得DC⊥平面ABC,∴AB⊥CD…(2分)
又由,BC=2,AC=1,得BC2=AB2+AC2,所以AB⊥AC…(4分)
故AB⊥平面ADC,所以AB⊥AD…(6分)
(2)取AD的中点F,连接EF,则EF∥BA,
因为AB⊥平面ADC∴EF⊥平面ADC…(8分)
连接FC,则∠ECF=30°,∴…(9分)
又∠BAD=∠BCD=90°,
所以四面体ABCD的外接球的半径…(11分)
故四面体ABCD的外接球的表面积=…(12分)
(向量解法酌情给分)
【点评】本题考查直线与平面垂直的判定定理的应用,几何体的外接球的表面积的求法,直线与平面所成角的应用,考查空间想象能力以及计算能力.