外接球内切球的9大题型.pdf
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1、关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 外接球内切球的 9 大类题型梳理外接球内切球的 9 大类题型梳理 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例如 : 球内切于正方体,切 点为正方体各个面的中心,正方体的棱长等于球的直径 ; 球外接于正方体,正方体的顶点均 在球面上,正方体的体对角线长等于球的直径 1. 球的表面积为 S=4R2 2. 球的体积为 V4 3R 3 多面体、旋转体与球接、切问题的求解策略 (1)过球心及多面体中的特殊点(一般为接、切点)或线作截面,把空间问
2、题转化为平面问题 (2)利用平面几何知识寻找几何体元素间的关系,或只画内切、外接的几何体的直观图,确 定球心的位置,弄清球的半径(直径)与该几何体已知量的关系,列方程(组)求解 (3)若球面上 4 点 P,A,B,C 构成的 3 条线段 PA,PB,PC 两两互相垂直,且 PAa,PB b,PCc,一般把有关元素“补形”成为一个球内接长方体,用 4R 2 a 2 b 2 c 2 求解 一球的性质应用一球的性质应用 例题1例题1 已知三棱锥的顶点都在球的球面上,是边长为的正三角形, 为球的直径,且,则此三棱锥的体积为( ) ABC D 【解析】【解析】因为ABC 是边长为 6 的正三角形,所以A
3、BC 外接圆的半径 r=, 为球的直径,且,球半径 R=4, 所以点 O 到平面 ABC 的距离, SC 为球 O 的直径,点 S 到平面 ABC 的距离为 2d=4, 此棱锥的体积为,选 C. 巩固1巩固1 已知三棱锥中,三点在以为球心的球面上,若 SABCOABCV6 SCO8SC 4 36 312 316 3 2 3 SCO8SC O 2 222 42 32dRr 1113 26 6412 3 3322 ABC VSd V OABCABCO 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) ,且三棱锥的体积为,则球表面积为( ) ABC D 【解析】【解析】由题意, .
4、又的外接圆的半径 因此球的半径 球的表面积:,选 C 巩固2巩固2 已知三棱锥 P-ABC 中,PA=4,AB=AC=2,BC=6,PA面 ABC,则此三棱锥 的外接球的表面积为( ) ABC D 【解析】【解析】底面中, ,的外接圆半径 面,三棱锥外接球的半径, 所以三棱锥外接球的表面积,选 C 二最值问题二最值问题 例题2例题2 已知三棱锥的顶点都在半径为的球面上, ,则三棱锥体积的最大值为( ) 2ABBC120ABCOABC3O 32 3 165264 2ABBC ABC 1 120=|sin3 2 ABCSABBCABC , 1 33 3 O ABCABC VShh ABC 2 2
5、2sin2sin30o AB r C O 22 2313R 2 452SR 3 163264128 ABCV2ABAC6BC 1 cos 2 BAC 3 sin 2 BAC ABCV 16 2 3 23 2 r PA QABC 2 2 222 2 3216 2 PA Rr PABC 2 464SR PABC 5 3 1AB 3BC 2AC PABC 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) ABC D 【解析】【解析】如图,设球心为,高中数学资料共享群(群号:734924357) 由,可得为直角三角形, 斜边的中点为球小圆的圆心,接,则平面,由, 可得, 故三棱锥最大体
6、积为, 选 巩固1巩固1 在三棱锥中,底面,是线段 上一点,且.三棱锥的各个顶点都在球表面上,过点作球 的截面,若所得截面圆的面积的最大值与最小值之差为,则球的表面积为( ) ABC D 【解析】【解析】将三棱锥补成直三棱柱,且三棱锥和该直三棱柱的外接球都是球, 记三角形的中心为,设球的半径为, 则球心到平面的距离为,即, 连接,则,. 3 2 13 5 3 18 O 1AB 3BC 2AC ABC AC OOOOAOO ABC 5 3 OA 1O A 4 3 OO PABC 113453 () 332332 ABC SO P A PABCPA ABC,6,8ABAC ABACD AC3ADD
7、CPABCODO 16O 7286112128 PABCO ABC 1 O R 2PAx OABC x 1 OOx 1 O A 1 5O A 22 25Rx 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 在中,取的中点为,连接, 则, 所以.在中, 由题意得到当截面与直线垂直时,截面面积最小, 设此时截面圆的半径为,高中数学资料共享群(群号:734924357) 则, 所以最小截面圆的面积为, 当截面过球心时,截面面积最大为, 所以, 球的表面积为. 选 C. 巩固2巩固2 已知的三个顶点落在半径为的球的表面上,三角形有一个角为且其 对边长为 3,球心到所在的平面的距离恰好
8、等于半径的一半,点为球面上任 意一点,则三棱锥的体积的最大值为( ) ABC D 【解析】【解析】设外接圆的圆心为,则平面,所以 设外接圆的半径为, 由正弦定理可得:,解得: ABCVACE 11 ,O D O E 1 1 3 2 O EAB 1 2 4 DEAC 1 13O D 1 Rt OO DV 2 13ODx OD r 22222 251312rRODxx 12 2 R 2 1216R 2 28R 2 112R ABCRO 3 OABCRP PABC 8 3 3 7 3 3 9 3 4 7 3 4 ABC 1 O 1 OO ABC 1 2 R OO ABCr3ABc 3 C 3 2 s
9、in 3 r 3r 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 由球的截面圆性质可得:,解得: 所以点到平面的距离的最大值为:. 在中,由余弦定理可得: 当且仅当时,等号成立,所以.高中数学资料共享群(群号:734924357) 所以,当且仅当时,等号成立. 当三棱锥的底面面积最大,高最大时,其体积最大. 所以三棱锥的体积的最大值为 选 C 三球直径灵活应用三球直径灵活应用 例题3例题3 已知三棱锥的所有顶点都在球的求面上,是边长为 的正三角 形,为球的直径,且,则此棱锥的体积为( ) ABC D 【解析】【解析】作出图形,设球心为 O,过 ABC 三点的小圆的圆心为 O
10、1,则 OO1平面 ABC, 延长 CO1交球于点 D,则 SD平面 ABC CO1=, 2 222 1 3 2 R ROOr 2R PABC 1 3ROO ABC 22222 32cos2ababCababababab 3ab max9ab 19 3 sin 234 ABC Sab = = 3ab PABC PABC 19 39 3 3 344 P ABC V SABCOABC1 SCO2SC 2 6 3 6 2 3 2 2 233 323 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) ,高 SD=2OO1=, ABC 是边长为 1 的正三角形,高中数学资料共享群(群号:
11、734924357) SABC=, 四球与其它几何体的综合四球与其它几何体的综合 例题4例题4 如图,有一个水平放置的透明无盖的正方体容器,容器高 8 cm,将一个球放在容 器口,再向容器内注水,当球面恰好接触水面时测得水深为 6cm,如果不计容器的厚度,则 球的体积为( ) ABC D 【解析】【解析】设球的半径为cm,根据已知条件知 正方体的上底面与球相交所得截面圆的半径为 4cm,球心到截面圆的距离为cm 所以由,得 所以球的体积为 选 A 巩固1巩固1 四面体中,已知,且两两相互垂直,在 该四面体表面上与点距离为的点形成一条曲线,则这条曲线的长度是( ) ABC D 1 16 1 33
12、 OO 2 6 3 3 4 132 62 3436 SABC V 三棱锥 3 500 cm 3 3 866 cm 3 3 1372 cm 3 3 2048 cm 3 R 2R 2 22 42RR5R 333 44500 5cm 333 VR ABCD1DADBDC DADBDC、 A 2 3 3 3 3 3 2 5 3 6 3 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 【解析】【解析】在四面体表面上与点距离为的点形成一条曲线 曲线分别与交于 ,同理, , . 选 B. 五球定义的灵活应用五球定义的灵活应用 例题5例题5 如图,在底面为矩形的四棱锥中,平面,分别为 棱,上
13、一点,已知,且平面,四面 体的每个顶点都在球的表面上,则球的表面积为( ) A 2 3 3 ,AB BD AC CD,E H F G 13 ,cos 22 3 3 AD Rt ADHDAH AH 13 , 623 DAHDHAH 4612 HAE 12 GAF 2 33 12318 FGHE 2 32 333 , 339236 EFGH EFFGGHHE 32 333 2 18962 EABCDDE ABCDFG DEAB3CDDE4BC 1DF FGBCE ADFGOO 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) ABC D 【解析】【解析】在棱 CD 上取一点 H,使
14、得 HD=1 平面 BCE 又平面 BCE,平面平面 BCE , 又平面平面 ABCD=GH,平面平面 ABCD=BC, = HD=1, 故四面体可以补成一个长方体,且长,宽,高分别为 4,1,1 所以球的表面积为选 C 巩固1巩固1 如图所示,在三棱锥中,点在平面 内的投影恰好落在上,且,则三棱锥外接球的表 面积为( ) 12161820 /CDDEFH CEFHQ,则 / /FGFGFHF,/ /FGH FGH BCE /BC GH,AG ADFG O 222 2 114 4 ()18 . 2 PABCABBC3AB 2BC P ABCDAB1AD 2PD PABC 关注公众号品数学 高中
15、数学资料共享群(群号:734924357) ABC D 【解析】【解析】由已知可知平面,平面平面, 又因为,平面,可构造直三棱柱, 直三棱柱的外接球就是三棱锥的外接球, 且球心为直三棱柱上下底面三角形外接圆圆心连线的中点. 在中,由正弦定理可求得外接圆半径为, 外接球半径为, 三棱锥外接球的表面积为,选 D. 六多面体放球中的解题策略六多面体放球中的解题策略 例题6例题6 已知二面角 PABC 的大小为 120,且PABABC90,ABAP,AB+BC 6若点 P,A,B,C 都在同一个球面上,则该球的表面积的最小值为( ) 9101214 PD ABC PAB ABC ABBCBCPABPA
16、BMNC PABMNCPABC O PAB 510 2 2sin 4 2 1014 1 22 PABC 2 14 414 2 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) A45BCD 【解析】【解析】设 ABx, (0 x6) ,则, 由题意知三棱锥外接球的球心是过PAB 和ABC 的外心 E,H, 且分别垂直这两个三角形所在平面的垂线的交点 O, OB 为三棱锥外接球半径,取 AB 的中点为 G,如图, 由条件知 在EGH 中,由余弦定理得 EGH 的外接圆直径, 当时,OB2的最小值为, 该球的表面积的最小值为. 选 B 巩固1巩固1 等腰三角形的腰,将它沿高翻折,使
17、二面角 成,此时四面体外接球的体积为( ) ABC D 288 7 144 7 72 7 6BCx ,3, 222 xxx EGGHGB 22 2 2 23 323cos9 2222342 xxxxx EHx 2 23 9 2 423 sin 3 EHx OGx 22 2 222 4371272 9 34221277 xx OBOGGBxx 12 7 x 72 7 2 288 4 7 OB ABC5ABAC6BC AD BADC60ABCD 728 19 19 6 28 7 3 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 【解析】【解析】由题意,设所在的小圆为,半径为,
18、又因为二面角为, 即, 所以为边长为的等边三角形, 又正弦定理可得, 即, 设球的半径为,且, 在直角中, 所以, 所以球的体积为, 选 D 巩固2巩固2 在三棱锥中,二面角 的余弦值是,若都在同一球面上,则该球的表面积是( ) ABC D BCD 1 Or BADC 0 60 0 60BDC BCD3 0 3 22 3 sin60 r 2 3BE R4AD ADE 2 2222 244(2 3)28RADDER 7R 33 4428 7 ( 7) 333 VR SABCABBC2ABBC 2 2SASC SACB 3 3 SABC, , , 681218 关注公众号品数学 高中数学资料共享群
19、(群号:734924357) 【解析】【解析】取的中点,连接. 因为,所以, 可得即为二面角的平面角,故. 在直角中,同理可得, 由余弦定理得 解得. 在中, 所以为直角三角形, 同理可得为直角三角形,取中点, 则,在与中, 所以点为该球的球心,半径为,所以球的表面积为. 选 C 巩固3巩固3 已知三棱锥中, 平面平面 ,则三棱锥的外接球的表面积为( ) ABC D 【解析】【解析】如图, ACDSDBD, SASCABBC,SDACBDAC, SDBSAC B- 3 cos 3 SDB SDC 22 6SDSCCD2BD 222 3 2cos26226() 3 SBBDSDBD SDBDS
20、122 3SB SCBV 2222 84( 12)SCCBSB SCBV SABVSBE 3SEEBRtSCBRt SABV 3 2 SB EA 3 2 EC SB E3 2 4( 3)12S SABC2 3ABACBCSBSCSBC ABC 8121618 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 取的中点,连接,则, 又平面平面,平面平面,平面, 所以面,又平面, 所以, 在上取一点,使得,则为球心, 设球的半径为, 因为, 所以为直角三角形, 又为的中点, 所以,又, 又在中,即, 解得. 所以外接球表面积为. 选 C. 巩固4巩固4表面积为的球面上有四点,且是边
21、长为的等边三角形,若平 面平面,则三棱锥体积的最大值是 BCDADSDADBC SBC ABCSBC IABCADADABC ADSBCSD SBC ADSD ADOOAOSO R SBSC SBC DBC 1 3 2 SDBC 3 2 33 2 AD Rt SOD 222 SODODS 2 2 2 3+3RR 2R 2 416SR 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 【解析】【解析】, 故当 到面的距离最大时,三棱锥的体积最大, 由图可知即当, 为中点时,三棱锥的体积最大, 作,面,连接,由,得, 由于,得,故, 故, , 故答案为 七球的截面问题七球的截面问题
22、 例题7例题7 如图,正四面体 ABCD 的棱长为 a,点 E、F 分别是棱 BD、BC 的中点,则平面 AEF 截该正四面体的内切球所得截面的面积为_. 【解析】【解析】根据题意知,平面 AEF 截该正四面体的内切球所得截面一定是圆,设圆心为 P,内 切球的球心为 O,作平面,则为底面三角形的中心 在等边三角形中, AN BCDN BCD 233 323 BNaa 关注公众号品数学 高中数学资料共享群(群号:734924357) 在中,由勾股定理知, 由图可知,为四面体外接球的半径,设 在中,由勾股定理可得,解得 所以正四面体 ABCD 的内切球半径为, 因为 OPAM,,所以,又因为 由
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