(2022高考数学一轮复习(创新设计))补上一课立体几何中的截面问题及球的切接问题.DOCX
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1、本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 补上一课 立体几何中的截面问题及球的切接问题) 1立体几何中的截面问题 (1)平面截球:圆(圆面) (2)平面截正方体:三角形、四边形、五边形、六边形 (3)平面截圆柱曲面:圆、椭圆、矩形 2球的切接问题 (1)长方体的外接球 球心:体对角线的交点; 半径:r a2b2c2 2 (a,b,c 为长方体的长、宽、高) (2)正方体的外接球、内切球及与各条棱相切的球 外接球:球心是正方体中心;半径 r 3 2 a(a 为正方
2、体的棱长); 内切球:球心是正方体中心;半径 ra 2(a 为正方体的棱长); 与各条棱都相切的球:球心是正方体中心;半径 r 2 2 a(a 为正方体的棱长) (3)正四面体的外接球与内切球(正四面体可以看作是正方体的一部分) 外接球:球心是正四面体的中心;半径 r 6 4 a(a 为正四面体的棱长); 内切球:球心是正四面体的中心;半径 r 6 12a(a 为正四面体的棱长) 题型一立体几何中的截面问题 【例 1】 (1)已知正方体的棱长为 1,每条棱所在直线与平面所成的角都相等, 则截此正方体所得截面面积的最大值为() A.3 3 4 B.2 3 3 C.3 2 4 D. 3 2 (2)
3、(2021浙江新高考仿真卷三)已知平面截一球面得圆 M, 过圆心 M 且与成 60 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 二面角的平面截该球面得圆 N,若该球面的半径为 4,圆 M 的面积为 4,则圆 N 的面积为() A7B9C11D13 答案(1)A(2)D 解析(1)记该正方体为 ABCDABCD,正方体的每条棱所在直线与平面所成 的角都相等,即共点的三条棱 AA,AB,AD与平面所成的角都相等如图, 连接 AB,AD,BD,因为三棱锥 AABD是正三
4、棱锥,所以 AA,AB,AD 与平面 ABD所成的角都相等分别取 CD,BC,BB,AB,AD,DD的中点 E, F,G,H,I,J,连接 EF,FG,GH,IH,IJ,JE,易得 E,F,G,H,I,J 六 点共面,平面 EFGHIJ 与平面 ABD平行,即截面 EFGHIJ 为平面截正方体所得 最大截面又 EFFGGHIHIJJE 2 2 ,所以该正六边形的面积为 6 3 4 2 2 2 3 3 4 ,所以截此正方体所得截面面积的最大值为3 3 4 ,故选 A. (2)设球的球心为 O,由圆 M 的面积为 4得圆 M 的半径为 2,则|OM| 4222 2 3,又因为圆 N 所在的平面与圆
5、 M 所在的平面所成的角为 60,则OMN 30,且 ONMN,则 sinOMN|ON| |OM|,即 sin 30 |ON| 2 3,解得|ON| 3,则圆 N 的半径 r 42( 3)2 13,圆 N 的面积为r213,故选 D. 感悟升华此类题主要考查空间想象能力及空间几何体的结构特征,解题时可寻 找特殊情况使问题得到简化 【训练 1】 (1)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() A12 2B12C8 2D10 (2)(2020名校仿真训练五)棱长为 2 的正方体 ABCDA1B1C1D1中
6、,E,F 分别为 棱 C1D1与 C1B1的中点,则经过点 B,E,F 的平面截正方体所得的封闭图形的面 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 积为() A.9 2 B3 10C.3 2 D. 10 答案(1)B(2)A 解析(1)因为过直线 O1O2的平面截该圆柱所得的截面是面积为 8 的正方形,所 以圆柱的高为 2 2,底面圆的直径为 2 2,所以该圆柱的表面积为 2( 2)2 2 22 212.故选 B. (2)如图, 经过点 B, E, F 的平面
7、BEF 截正方体所得截面为四边形 BDEF, 因为 E, F 分别是 C1D1,C1B1的中点,正方体的棱长为 2,所以 EFBD,且 EF1 2BD, 所以四边形 BDEF 是下底为 BD2 2,上底为 EF 2的等腰梯形在 RtBB1F 中,由勾股定理可得 DEBF 5,过点 F 在平面 BDEF 内作 FGBD 于点 G, 由等腰梯形的性质用勾股定理可得 FG3 2 2 ,即梯形 BDEF 的高为3 2 2 ,所以梯 形 BDEF 的面积为1 2(2 2 2) 3 2 2 9 2,故选 A. 题型二外接球问题 【例 2】 (1)已知底面边长为 1,侧棱长 2的正四棱柱的各个顶点均在同一个
8、球的 球面上,则该球的体积为() A.32 3 B4C2D.4 3 (2)已知直三棱柱 ABCA1B1C1的六个顶点都在球 O 的球面上, 若 AB3, AC4, ABAC,AA112,则球 O 的半径为() A.3 17 2 B2 10C.13 2 D3 10 (3)正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该四棱锥的高为 4,底面边长为 2,则该 球的表面积为() 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 A.81 4 B16C9D.27 4 (4)已知三棱锥 SAB
9、C 的所有顶点都在球 O 的球面上,若平面 SCA平面 SCB, SAAC,SBBC,SAAC,SBBC,三棱锥 SABC 的体积为 9,则球的表面 积为_ 答案(1)D(2)C(3)A(4)36 解析(1)如图, 正四棱柱 ABCDA1B1C1D1,底面为边长为 1,侧棱长为 2,设 H、I 分别为下、 上底面中心,HI 的中点为 O,所以 O 为外接球的球心,所以外接球半径 RAO AH2OH21,所以外接球体积 V4 3 R34 3 . (2)如图, 由题意可得棱柱上、下底面为直角三角形,所以上、下底面外接圆的圆心分别为 B1C1、BC 的中点,设其分别为 I、H,设 HI 的中点为 O
10、,则点 O 为三棱柱外接 球的球心,在 RtBHO 中,BO BH2OH213 2 ,所以外接球的半径 R13 2 . (3)如图, 设 O1为底面正方形 ABCD 的中心,外接球球心为 O, 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 所以 PO1平面 ABCD,O 在 PO1上, 设外接球 O 的半径为 R,则 RAOPO, 在 RtAOO1中, RAO AO21OO21 ( 2)2(4R)2 解得 R9 4, 所以外接球的表面积为 S4R281 4 . (4
11、)如图, SAAC,SBBC,设 O 为 SC 的中点,由直角三角形斜边上的中线等于斜边 的一半,可得点 O 到 A,B,C,S 的距离相等,故点 O 为三棱锥外接球的球心, 平面 SCA平面 SCB,SBBC,OB平面 SAC. 设球 O 的半径为 R,则 VSABCVBASC1 3 1 22RRR 1 3R 39, R327,R3.所以外接球表面积为 S4R236. 感悟升华1.常用结论 (1)正方体和长方体的外接球的球心为其体对角线的中点 (2)正棱柱的外接球的球心是上、下底面中心连线的中点 (3)直棱柱的外接球的球心是上、下底面多边形外心连线的中点 (4)正棱锥外接球的球心在其高上,具
12、体位置通过构造直角三角形计算得到 (5)若棱锥的顶点可构成共斜边的直角三角形,则公共斜边的中点就是其外接球的 球心 2构造正方体、长方体、直棱柱等用上述结论确定外接球的球心 (1)同一个顶点上的三条棱两两垂直的四面体,求其外接球问题可构造正方体或长 方体 (2)相对的棱长相等的三棱锥,求其外接球问题可构造正方体或长方体 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 【训练 2】 (1)一个四面体的所有棱长都为 2,四个顶点在同一球面上,则此球 的表面积为() A3B
13、4C3 3D6 (2)已知正三棱锥 PABC,点 P、A、B、C 都在半径为 3的球面上,若 PA、PB、 PC 两两互相垂直,则球心到截面 ABC 的距离是_ (3)三棱锥 PABC 中,PAAB,PAAC,BAC120,PAABAC2,则 此三棱锥外接球的体积为_ 答案(1)A(2) 3 3 (3)20 5 3 解析(1)构造正方体,则正方体棱长为 1,因此,该四面体的外接球也就是棱长 为 1 的正方体外接球,所以外接球半径 R 3 2 ,所以外接球表面积为 S4R2 3. (2)如图, 构造正方体,则球心为正方体的中心 O,易求得正方体棱长为 2,设点 O 到平面 ABC 的距离为 d,
14、作 CH 垂直 MN 交 MN 于 H, 由 VOABCVCABO,得 1 3S ABCd1 3S ABOCH, 所以 d 3 3 . (3)PAAB, PAAC, PA平面 ABC, 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 构造直三棱柱 PQTABC,设 O1为ABC 外心,O 为三棱锥外接球球心,所以 OO1平面 ABC, 易得 OO11 2PA, 在ABC 由余弦定理可求得 BC2 3,再由正弦定理 BC sin 1202r,可求得ABC 外接圆半径 r
15、2,在 RtAOO1中,AO AO21OO21 5, 所以三棱锥 PABC 外接球半径 R 5,外接球体积 V20 5 3 . 题型三内切球问题 【例 3】 (一题多解)已知棱长为 a 的正四面体 ABCD,证明:其内切球的半径为 6 12a. 证明法一如图, 设 AH平面 BCD,则 H 为BCD 外心, 可得外接球球心在 AH 上,设外接球球心为 O, 外接球半径为 R,则 AOBOR, 在BCD 中,可得 BH 3 3 a, 在 RtABH 中, AH AB2BH2 6 3 a, 在 RtBHO 中,BO2BH2OH2, BO2BH2(AHOA)2, R2 3 3 a 2 6 3 aR
16、2 ,R 6 4 a, 因内切球球心与外接球球心重合,所以内切球半径 rOHAHAO 6 3 a 6 4 a 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 323031380 期待你的加入与分享 本资料分享自新人教版高中数学资源大全 QQ 群 483122854 期待你的加入与分享 6 12a. 法二如图, 设 AH平面 BCD,设外接球球心为 O,则点 O 也是内切球球心, 由于内切球球心到各个面的距离相等,都为内切球半径,设为 r, VABCDVOABCVOACDVOABDVOBCD. 1 3S BCDAH1 3S BCDr4,r1 4AH 6 12a. 感悟升华求内切球的半径常用等积法
17、 (1)正多面体内切球的球心与其外接球的球心重合,内切球的半径为球心到多面体 任一面的距离 (2)正棱锥的内切球与外接球的球心都在其高线上,但不一定重合 【训练 3】 (1)(2020全国卷)已知圆锥的底面半径为 1,母线长为 3,则该圆锥 内半径最大的球的体积为_ (2)(2021金华一中月考)已知某锥体的三视图如图所示(各正方形的边长为 2),则 该锥体的体积是_;该锥体的内切球的表面积是_ 答案(1) 2 3 (2)8 3 4 3 解析(1)圆锥内半径最大的球即为圆锥的内切球,设其半径为 r.作出圆锥的轴截 面 PAB,如图所示,则PAB 的内切圆为圆锥的内切球的大圆在PAB 中,PA
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