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- 2021-06-10 发布
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专题十三 立体几何
【真题典例】
13.1 空间几何体
挖命题
【考情探究】
考点
内容解读
5年考情
预测热度
考题示例
考向
关联考点
空间几何体的结构特征
1.多面体的特征
2.旋转体的特征
★☆☆
表面积
简单几何体表面积求解
★☆☆
体积
1.简单几何体体积求解
2.简单等积变换及体积比例关系
2014江苏,8
圆柱的体积
圆锥侧面积
★★★
2015江苏,9
圆柱与圆锥的体积
2017江苏,6
圆柱、球的体积
2018江苏,10
多面体体积
正方体
分析解读 江苏高考对于几何体的体积几乎是每年必考,一般以小题呈现,基础题居多.考查的方式如下:一是考查简单几何体的体积,以圆锥和圆柱为主;二是考查锥体或者柱体的等体积转换,利用底面积和高的比例关系,寻求体积的比例;三是考查以空间几何体为背景的应用题,结合不等式、导数、函数等有关知识,寻求体积或者表面积的最优解问题;四是考查简单组合体的体积.
破考点
【考点集训】
考点一 空间几何体的结构特征
(2019届江苏吴江期初)在正方体上任意选择4个顶点,它们可能是如下各种几何图形的四个顶点,这些几何图形是 (写出所有正确结论的编号).
①矩形;②不是矩形的平行四边形;③有三个面为等腰直角三角形,有一个面为等边三角形的四面体;④每个面都是等边三角形的四面体;⑤每个面都是直角三角形的四面体.
答案 ①③④⑤
考点二 表面积
1.(2018江苏宿迁中学周考)在三棱锥S-ABC中,面SAB,面SBC,面SAC都是以S为直角顶点的等腰直角三角形,且AB=BC=CA=2,则三棱锥S-ABC的表面积是 .
答案 3+3
2.(2019届江苏苏州中学检测)已知圆锥和圆柱的底面半径均为R,高均为3R,则圆锥和圆柱的表面积之比是 .
答案 10+18
考点三 体积
1.(2018江苏南师附中考前模拟)直三棱柱ABC-A1B1C1的各条棱长均为2,D为棱B1C1上任意一点,则三棱锥D-A1BC的体积是 .
答案 233
2.(2018江苏启东暑期检测)三棱锥P-ABC中,D,E分别为PB,PC的中点,记三棱锥D-ABE的体积为V1,P-ABC的体积为V2,则V1V2= .
答案 14
炼技法
【方法集训】
方法一 空间几何体表面积的求解方法
1.(2019届江苏盐城中学检测)已知圆锥的底面直径与高都是2,则该圆锥的侧面积为 .
答案 5π
2.将半径为5的圆分割成面积之比为1∶2∶3的三个扇形作为三个圆锥的侧面,设这三个圆锥的底面半径依次为r1,r2,r3,则r1+r2+r3= .
答案 5
方法二 空间几何体体积的求解方法
1.(2018江苏启东汇龙中学检测)设M,N分别为三棱锥P-ABC的棱AB,PC的中点,三棱锥P-ABC的体积记为V1,三棱锥P-AMN的体积记为V2,则V2V1= .
答案 14
2.(2019届江苏淮阴中学暑期检测)已知四棱锥P-ABCD的底面ABCD是边长为2,且∠ABC=60°的菱形,侧棱PA⊥底面ABCD,PA=3.若点M是BC的中点,则三棱锥M-PAD的体积为 .
答案 3
方法三 与球有关的切、接问题的求解方法
1.设P,A,B,C是球O表面上的四个点,PA,PB,PC两两垂直,且PA=PB=PC=1 m,则球的体积为 .
答案 3π2 m3
2.(2019届江苏海门中学检测)如图,半径为2的半球内有一个内接正六棱锥P-ABCDEF,则此正六棱锥的侧面积是 .
答案 67
3.设球O内切于正三棱柱ABC-A1B1C1,则球O的体积与正三棱柱ABC-A1B1C1的体积的比值为 .
答案 23π27
过专题
【五年高考】
A组 自主命题·江苏卷题组
1.(2017江苏,6,5分)如图,在圆柱O1O2内有一个球O,该球与圆柱的上、下底面及母线均相切.记圆柱O1O2的体积为V1,球O的体积为V2,则V1V2的值是 .
答案 32
2.(2014江苏,8,5分)设甲、乙两个圆柱的底面积分别为S1、S2,体积分别为V1、V2,若它们的侧面积相等,且S1S2=94,则V1V2的值是 .
答案 32
3.(2015江苏,9,5分)现有橡皮泥制作的底面半径为5、高为4的圆锥和底面半径为2、高为8的圆柱各一个.若将它们重新制作成总体积与高均保持不变,但底面半径相同的新的圆锥和圆柱各一个,则新的底面半径为 .
答案 7
B组 统一命题、省(区、市)卷题组
考点一 表面积
1.(2018课标全国Ⅱ理,16,5分)已知圆锥的顶点为S,母线SA,SB所成角的余弦值为78,SA与圆锥底面所成角为45°.若△SAB的面积为515,则该圆锥的侧面积为 .
答案 402π
2.(2018课标全国Ⅰ文改编,5,5分)已知圆柱的上、下底面的中心分别为O1,O2,过直线O1O2的平面截该圆柱所得的截面是面积为8的正方形,则该圆柱的表面积为 .
答案 12π
3.(2017课标全国Ⅱ文,15,5分)长方体的长,宽,高分别为3,2,1,其顶点都在球O的球面上,则球O的表面积为 .
答案 14π
4.(2017课标全国Ⅰ文,16,5分)已知三棱锥S-ABC的所有顶点都在球O的球面上,SC是球O的直径.若平面SCA⊥平面SCB,SA=AC,SB=BC,三棱锥S-ABC的体积为9,则球O的表面积为 .
答案 36π
5.(2017课标全国Ⅰ文,18,12分)如图,在四棱锥P-ABCD中,AB∥CD,且∠BAP=∠CDP=90°.
(1)证明:平面PAB⊥平面PAD;
(2)若PA=PD=AB=DC,∠APD=90°,且四棱锥P-ABCD的体积为83,求该四棱锥的侧面积.
解析 本题考查立体几何中面面垂直的证明和几何体侧面积的计算.
(1)证明:由已知∠BAP=∠CDP=90°,
得AB⊥AP,CD⊥PD.
由于AB∥CD,故AB⊥PD,
从而AB⊥平面PAD.
又AB⊂平面PAB,
所以平面PAB⊥平面PAD.
(2)在平面PAD内作PE⊥AD,垂足为E.
由(1)知,AB⊥平面PAD,
故AB⊥PE,可得PE⊥平面ABCD.
设AB=x,则由已知可得AD=2x,PE=22x.
故四棱锥P-ABCD的体积VP-ABCD=13AB·AD·PE=13x3.
由题设得13x3=83,故x=2.
从而PA=PD=2,AD=BC=22,PB=PC=22.
可得四棱锥P-ABCD的侧面积为12PA·PD+12PA·AB+12PD·DC+12BC2sin 60°=6+23.
方法总结 1.面面垂直的证明
证明两个平面互相垂直,可以在一个平面内找一条直线l,证明直线l垂直于另一个平面.
2.几何体的表面积
直棱柱的侧面积S侧=C底·l,其他几何体一般要对各个侧面、底面逐个分析求解面积,最后求和.
考点二 体积
1.(2018课标全国Ⅰ文改编,10,5分)在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=2,AC1与平面BB1C1C所成的角为30°,则该长方体的体积为 .
答案 82
2.(2018课标全国Ⅲ理改编,10,5分)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93,则三棱锥D-ABC体积的最大值为 .
答案 183
3.(2018天津理,11,5分)已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,除面ABCD外,该正方体其余各面的中心分别为点E,F,G,H,M(如图),则四棱锥M-EFGH的体积为 .
答案 112
4.(2018天津文,11,5分)如图,已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,则四棱锥A1-BB1D1D的体积为 .
答案 13
5.(2017课标全国Ⅲ理改编,8,5分)已知圆柱的高为1,它的两个底面的圆周在直径为2的同一个球的球面上,则该圆柱的体积为 .
答案 3π4
6.(2017课标全国Ⅰ理,16,5分)如图,圆形纸片的圆心为O,半径为5 cm,该纸片上的等边三角形ABC的中心为O.D,E,F为圆O上的点,△DBC,△ECA,△FAB分别是以BC,CA,AB为底边的等腰三角形.沿虚线剪开后,分别以BC,CA,AB为折痕折起△DBC,△ECA,△FAB,使得D,E,F重合,得到三棱锥.当△ABC的边长变化时,所得三棱锥体积(单位:cm3)的最大值为 .
答案 415
7.(2015课标Ⅱ文改编,9,5分)已知A,B是球O的球面上两点,∠AOB=90°,C为该球面上的动点.若三棱锥O-ABC体积的最大值为36,则球O的表面积为 .
答案 144π
8.(2016课标全国Ⅲ理改编,11,5分)在封闭的直三棱柱ABC-A1B1C1内有一个体积为V的球.若AB⊥BC,AB=6,BC=8,AA1=3,则V的最大值是 .
答案 9π2
9.(2015山东改编,7,5分)在梯形ABCD中,∠ABC=π2,AD∥BC,BC=2AD=2AB=2.将梯形ABCD绕AD所在的直线旋转一周而形成的曲面所围成的几何体的体积为 .
答案 5π3
10.(2014陕西改编,5,5分)已知底面边长为1,侧棱长为2的正四棱柱的各顶点均在同一个球面上,则该球的体积为 .
答案 4π3
11.(2016浙江,14,4分)如图,在△ABC中,AB=BC=2,∠ABC=120°.若平面ABC外的点P和线段AC上的点D,满足PD=DA,PB=BA,则四面体PBCD的体积的最大值是 .
答案 12
12.(2017课标全国Ⅲ文,19,12分)如图,四面体ABCD中,△ABC是正三角形,AD=CD.
(1)证明:AC⊥BD;
(2)已知△ACD是直角三角形,AB=BD.若E为棱BD上与D不重合的点,且AE⊥EC,求四面体ABCE与四面体ACDE的体积比.
解析 (1)证明:取AC的中点O,连接DO,BO.
因为AD=CD,所以AC⊥DO.
又由于△ABC是正三角形,所以AC⊥BO.
又BO∩DO=O,从而AC⊥平面DOB,故AC⊥BD.
(2)连接EO.
由(1)及题设知∠ADC=90°,
所以DO=AO.
在Rt△AOB中,BO2+AO2=AB2.
又AB=BD,
所以BO2+DO2=BO2+AO2=AB2=BD2,
故∠DOB=90°.
由题设知△AEC为直角三角形,
所以EO=12AC.
又△ABC是正三角形,且AB=BD,
所以EO=12BD.
故E为BD的中点,
从而E到平面ABC的距离为D到平面ABC的距离的12,四面体ABCE的体积为四面体ABCD的体积的12,
即四面体ABCE与四面体ACDE的体积之比为1∶1.
C组 教师专用题组
1.(2013江苏,8,5分)如图,在三棱柱A1B1C1-ABC中,D,E,F分别是AB,AC,AA1的中点,设三棱锥F-ADE的体积为V1,三棱柱A1B1C1-ABC的体积为V2,则V1∶V2= .
答案 124
2.(2012江苏,7,5分)如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=AD=3 cm,AA1=2 cm,则四棱锥A-BB1D1D的体积为 cm3.
答案 6
3.(2016课标全国Ⅱ改编,4,5分)体积为8的正方体的顶点都在同一球面上,则该球的表面积为 .
答案 12π
4.(2014山东,13,5分)一个六棱锥的体积为23,其底面是边长为2的正六边形,侧棱长都相等,则该六棱锥的侧面积为 .
答案 12
5.(2014福建,19,12分)如图,三棱锥A-BCD中,AB⊥平面BCD,CD⊥BD.
(1)求证:CD⊥平面ABD;
(2)若AB=BD=CD=1,M为AD中点,求三棱锥A-MBC的体积.
解析 (1)证明:∵AB⊥平面BCD,CD⊂平面BCD,
∴AB⊥CD.
又∵CD⊥BD,AB∩BD=B,AB⊂平面ABD,BD⊂平面ABD,
∴CD⊥平面ABD.
(2)解法一:由AB⊥平面BCD,得AB⊥BD.
∵AB=BD=1,∴S△ABD=12.
∵M是AD的中点,∴S△ABM=12S△ABD=14.
由(1)知,CD⊥平面ABD,
∴三棱锥C-ABM的高h=CD=1,
因此三棱锥A-MBC的体积VA-MBC=VC-ABM=13S△ABM·h=112.
解法二:如图,过点M作MN⊥BD交BD于点N,
由AB⊥平面BCD知,平面ABD⊥平面BCD,
又平面ABD∩平面BCD=BD,
所以MN⊥平面BCD,
且MN=12AB=12,
又CD⊥BD,BD=CD=1,
∴S△BCD=12.
∴三棱锥A-MBC的体积VA-MBC=VA-BCD-VM-BCD
=13AB·S△BCD-13MN·S△BCD=112.
评析本题主要考查空间中直线与直线、直线与平面、平面与平面的位置关系及几何体的体积等基础知识,考查空间想象能力、推理论证能力、运算求解能力,考查化归与转化思想.
6.(2014江西,19,12分)如图,三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1⊥BC,A1B⊥BB1.
(1)求证:A1C⊥CC1;
(2)若AB=2,AC=3,BC=7,问AA1为何值时,三棱柱ABC-A1B1C1体积最大,并求此最大值.
解析 (1)证明:由AA1⊥BC知BB1⊥BC,
又BB1⊥A1B,
故BB1⊥平面BCA1,
则BB1⊥A1C,
又BB1∥CC1,
所以A1C⊥CC1.
(2)解法一:设AA1=x,
在Rt△A1BB1中,A1B=A1B12-BB12=4-x2.
同理,A1C=A1C12-CC12=3-x2.
在△A1BC中,cos∠BA1C=A1B2+A1C2-BC22A1B·A1C
=-x2(4-x2)(3-x2),sin∠BA1C=12-7x2(4-x2)(3-x2),
所以S△A1BC=12A1B·A1C·sin∠BA1C=12-7x22.
从而三棱柱ABC-A1B1C1的体积V=S△A1BC·AA1=x12-7x22.
因为x12-7x2=12x2-7x4=-7x2-672+367,
故当x=67=427,即AA1=427时,体积V取到最大值377.
解法二:过A1作BC的垂线,垂足为D,连接AD.
由于AA1⊥BC,A1D⊥BC,
故BC⊥平面AA1D,BC⊥AD.
又∠BAC=90°,
所以S△ABC=12AD·BC=12AB·AC,得AD=2217.
设AA1=x,在Rt△AA1D中,
A1D=AD2-AA12=127-x2,
S△A1BC=12A1D·BC=12-7x22.
从而三棱柱ABC-A1B1C1的体积V=S△A1BC·AA1=x12-7x22.
因为x12-7x2=12x2-7x4=-7x2-672+367,
故当x=67=427,
即AA1=427时,体积V取到最大值377.
评析本题考查线线、线面垂直的判定,空间几何体的体积及其最值的求解,考查学生的空间想象能力、推理论证能力和运算求解能力,正确表示几何体的体积是解决本题的关键.
【三年模拟】
一、填空题(每小题5分,共50分)
1.(2019届江苏启东期初)底面边长为2 m,高为1 m的正三棱锥的表面积为 m2.
答案 33
2.(2018江苏南京学情调研)将一个正方形绕着它的一边所在的直线旋转一周,所得圆柱的体积为27π cm3,则该圆柱的侧面积为 cm2.
答案 18π
3.(2018江苏苏州暑假测试)如图,正四棱锥P-ABCD的底面一边AB的长为23 cm,侧面积为83 cm2,则它的体积为 cm3.
答案 4
4.(2019届江苏海门实验学校周考)已知正四棱柱的底面边长为3 cm,侧面的对角线长是35cm,则这个正四棱柱的体积是 cm3.
答案 54
5.(2019届江苏海安中学月考)已知一个正方体的所有顶点在一个球面上,若这个正方体的表面积为18,则这个球的体积为 .
答案 9π2
6.(2018江苏无锡期末)直三棱柱ABC-A1B1C1中,已知AB⊥BC,AB=3,BC=4,AA1=5,若三棱柱的所有顶点都在同一球面上,则该球的表面积为 .
答案 50π
7.(2018江苏苏锡常镇四市调研)若正四棱锥的底面边长为2 cm,侧面积为8 cm2,则它的体积为 cm3.
答案 433
8.(2018江苏盐城中学月考)如图,正三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=4,AA1=6.若E,F分别是棱BB1,CC1上的点,则三棱锥A-A1EF的体积是 .
答案 83
9.(2019届江苏清江中学期初)如图,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,若四边形AA1C1C是边长为4的正方形,且AB=3,BC=5,M是AA1的中点,则三棱锥A1-MBC1的体积为 .
答案 4
10.(2019届江苏苏州实验中学月考)已知圆锥的高为6,体积为8.用平行于圆锥底面的平面截圆锥,得到的圆台的体积是7,则该圆台的高为 .
答案 3
二、解答题(共10分)
11.(2018江苏南京、盐城高三二模)在边长为4的正方形ABCD内剪去四个全等的等腰三角形(如图1中阴影部分),将剩下的部分折叠成底面边长为2的正四棱锥S-EFGH(如图2),求正四棱锥S-EFGH的体积.
解析 设题图1中△BEF的边EF上的高为h1,
则BD=2+2h1,
在四棱锥S-EFGH中,斜高为h1,设高为h2,
由BD=42=2+2h1,
得h1=322,
∴h2=h12-222=92-12=2,
∴VS-EFGH=13S四边形EFGH×h2=13×2×2=43.