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- 2021-06-15 发布
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专题21 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. 某四面体的三视图如图所示,正视图、侧视图、俯视图都是边长为1的正方形,则此四面体的外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
俯视图
正视图
侧视图
例、已知一个正方体的所有顶点在一个球面上,若球的体积为,则正方体的棱长为________.
例、如图,在等腰梯形中, , 为中点.将与分别沿、折起,使、重合于点,则三棱锥的外接球的体积为( )
A. B. C. D.
1.1 球与长方体
例、如图所示是一个几何体的三视图,则这个几何体外接球的表面积为( )
A.8π B.16π C.32π D.64π
例 、【广东省佛山市2020届高三月考】已知矩形,,,为的中点,现分别沿将,翻折,使点重合,记为点,则几何体的外接球表面积为______.
例、《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
1.1 球与正三棱柱
例、直三棱柱ABC-A1B1C1的6个顶点都在球O的球面上”,若AB=3,AC=4,AB⊥AC,AA1=12,求球O的半径。
例、已知正三棱柱ABC-A1B1C1的所有顶点都在半径为1的球面上,当正三棱柱的体积最大时,该正三棱柱的高为________。
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、若一个正四面体的表面积为S1,其内切球的表面积为S2,则=________.
例、【吉林省长春外国语学校2020届高三上期末】在四面体中,若,,,则四面体的外接球的表面积为__________.
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、【山东省临沂市第十九中学2020届高三调研】长方形中,,将沿折起,使二面角大小为,则四面体的外接球的表面积为________
例、【甘肃省张掖市2020届高三考】三棱锥的每个顶点都在球的表面上,平面,,,,,则球的表面积为_____.
例、【广东省深圳市高级中学2020届高三适应性考试】在三棱锥中,平面平面,
是边长为6的等边三角形,是以为斜边的等腰直角三角形,则该三棱锥外接球的表面积为_______.
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、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 .
例、 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.
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、 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
5、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、【山东省滨州市2020届高三期末】如图,圆柱的底直径与高都等于球的直径,记圆柱的表面积为,球的表面积为,则( )
A.1 B. C. D.
例、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.
【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.