第03讲 内切球与外接球(八大题型)-暑假高一升高二数学衔接知识自学讲义(苏教版)
展开第03讲 内切球与外接球
【题型归纳目录】
题型一:正方体、长方体外接球
题型二:正四面体外接球
题型三:对棱相等的三棱锥外接球
题型四:直棱柱外接球
题型五:直棱锥外接球
题型六:正棱锥外接球以及侧棱相等锥体的外接球
题型七:垂面模型外接球
题型八:锥体内切球
【知识点梳理】
知识点一:正方体、长方体外接球
1、正方体的外接球的球心为其体对角线的中点,半径为体对角线长的一半.
2、长方体的外接球的球心为其体对角线的中点,半径为体对角线长的一半.
3、补成长方体
(1)若三棱锥的三条侧棱两两互相垂直,则可将其放入某个长方体内,如图1所示.
(2)若三棱锥的四个面均是直角三角形,则此时可构造长方体,如图2所示.
(3)正四面体可以补形为正方体且正方体的棱长,如图3所示.
(4)若三棱锥的对棱两两相等,则可将其放入某个长方体内,如图4所示
图1 图2 图3 图4
知识点二:正四面体外接球
如图,设正四面体的的棱长为,将其放入正方体中,则正方体的棱长为,显然正四面体和正方体有相同的外接球.正方体外接球半径为,即正四面体外接球半径为.
知识点三:对棱相等的三棱锥外接球
四面体中,,,,这种四面体叫做对棱相等四面体,可以通过构造长方体来解决这类问题.
如图,设长方体的长、宽、高分别为,则,三式相加可得而显然四面体和长方体有相同的外接球,设外接球半径为,则,所以.
知识点四:直棱柱外接球
如图1,图2,图3,直三棱柱内接于球(同时直棱柱也内接于圆柱,棱柱的上下底面可以是任意三角形)
图1 图2 图3
第一步:确定球心的位置,是的外心,则平面;
第二步:算出小圆的半径,(也是圆柱的高);
第三步:勾股定理:,解出
知识点五:直棱锥外接球
如图,平面,求外接球半径.
解题步骤:
第一步:将画在小圆面上,为小圆直径的一个端点,作小圆的直径,连接,则必过球心;
第二步:为的外心,所以平面,算出小圆的半径(三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得),;
第三步:利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①;
②.
知识点六:正棱锥外接球
正棱锥外接球半径: .
由此推广:侧棱相等的锥体外接球半径:
知识点七:垂面模型外接球
如图1所示为四面体,已知平面平面,其外接球问题的步骤如下:
(1)找出和的外接圆圆心,分别记为和.
(2)分别过和作平面和平面的垂线,其交点为球心,记为.
(3)过作的垂线,垂足记为,连接,则.
(4)在四棱锥中,垂直于平面,如图2所示,底面四边形的四个顶点共圆且为该圆的直径.
图1 图2
知识点八:锥体内切球
方法:等体积法,即
【典例例题】
题型一:正方体、长方体外接球
【例1】(2023·天津·高一统考期中)已知棱长为2的正方体的顶点都在球面上,则该球的表面积为( )
A.π B.2π C.4π D.12π
【对点训练1】(2023·河南洛阳·高一校考期中)若一个长方体的长、宽、高分别为4,,2,且该长方体的每个顶点都在球的球面上,则球的表面积为( )
A. B. C. D.
题型二:正四面体外接球
【例2】(2023·陕西西安·高一西安市铁一中学校考期中)已知正四面体的外接球表面积为,则正四面体的棱长为( )
A.1 B. C. D.2
【对点训练2】(2023·广西北海·高一统考期末)已知正四面体的外接球体积为,则正四面体的表面积为( )
A. B. C. D.
题型三:对棱相等的三棱锥外接球
【例3】(2023·陕西宝鸡·高一统考期末)已知三棱锥,,,,则三棱锥外接球的体积是( )
A. B. C. D.
【对点训练3】(2023·河北邢台·高一校考期末)在三棱锥中,,则该三棱锥外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
题型四:直棱柱外接球
【例4】(2023·重庆·高一校联考期中)设直三棱柱的所有顶点都在一个球面上,且球的表面积为,,则此直三棱柱的高是( )
A.1 B.2 C. D.4
【对点训练4】(2023·安徽·高一安徽省宿松中学校联考期中)设直三棱柱的所有顶点都在一个表面积是的球面上,且,则此直三棱柱的表面积是( )
A. B. C. D.
题型五:直棱锥外接球
【例5】(2023·河北沧州·高一校联考期中)已知三棱锥,底面ABC,,,,则三棱锥外接球的体积为( )
A. B. C. D.
【对点训练5】(2023·湖南衡阳·高一湖南省祁东县第二中学校考期中)《九章算术》中,将四个面都为直角三角形的三棱锥称之为鳖臑.若三棱锥为鳖臑,平面,,三棱锥P-ABC的四个顶点都在球的球面上,则球的表面积为( )
A. B. C. D.
题型六:正棱锥外接球以及侧棱相等锥体的外接球
【例6】(2023·黑龙江哈尔滨·高一哈九中校考期中)已知正三棱锥,各棱长均为,则其外接球的体积为( )
A. B. C. D.
【对点训练6】(2023·安徽池州·高一统考期中)已知正三棱锥的四个顶点都在球O的球面上,其侧棱长为,底面边长为4,则球O的表面积是( )
A. B. C. D.
【对点训练7】(2023·重庆巴南·高一重庆市实验中学校考期末)在三棱锥中,,则三棱锥外接球的表面积是( )
A. B. C. D.
【对点训练8】(2023·四川广安·高一统考期末)在三棱锥中,,,则三棱锥外接球的表面积是( )
A. B. C. D.
题型七:垂面模型外接球
【例7】(2023·湖北恩施·高一校联考期末)在三棱锥中,平面平面ABC,,,则该三棱锥外接球的表面积为( )
A.54π B.48π C.42π D.36π
【对点训练9】(2023·河北沧州·高一校考期中)在三棱锥P-ABC中,平面PAB⊥平面ABC.,,,则三棱锥P-ABC的外接球的表面积为( )
A. B. C. D.
题型八:锥体内切球
【例8】(2023·山东菏泽·高一统考期中)已知正三棱锥中,,,,则正三棱锥内切球的半径为( )
A. B. C. D.
【对点训练10】(2023·浙江宁波·高一校联考期中)三棱锥的侧棱两两垂直,且侧面面积分别为,则该三棱锥内切球的半径为( )
A.4 B. C. D.
【真题演练】
1.(2022·全国·统考高考真题)已知正三棱台的高为1,上、下底面边长分别为和,其顶点都在同一球面上,则该球的表面积为( )
A. B. C. D.
2.(2022·全国·统考高考真题)已知正四棱锥的侧棱长为l,其各顶点都在同一球面上.若该球的体积为,且,则该正四棱锥体积的取值范围是( )
A. B. C. D.
3.(2021·天津·统考高考真题)两个圆锥的底面是一个球的同一截面,顶点均在球面上,若球的体积为,两个圆锥的高之比为,则这两个圆锥的体积之和为( )
A. B. C. D.
4.(2020·天津·统考高考真题)若棱长为的正方体的顶点都在同一球面上,则该球的表面积为( )
A. B. C. D.
5.(2020·全国·统考高考真题)已知为球的球面上的三个点,⊙为的外接圆,若⊙的面积为,,则球的表面积为( )
A. B. C. D.
6.(2020·全国·统考高考真题)已知△ABC是面积为的等边三角形,且其顶点都在球O的球面上.若球O的表面积为16π,则O到平面ABC的距离为( )
A. B. C.1 D.
7.(2020·山东·统考高考真题)已知球的直径为2,则该球的体积是______.
8.(2020·全国·统考高考真题)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_________.
【过关测试】
一、单选题
1.(2023·广东深圳·高一深圳市罗湖高级中学校考期中)把一个铁制的底面半径为,侧面积为的实心圆柱熔化后铸成一个球,则这个铁球的表面积为( )
A. B. C. D.
2.(2023·陕西·高一校联考期中)西安大唐不夜城的“不倒翁小姐姐”因为一段“把手给我”的短视频而被人熟知.“不倒翁小姐姐”不倒的原因在于其脚下的半球形工具.如果一个半球的半径为3,那么这个半球的表面积为( )
A. B. C. D.
3.(2023·浙江宁波·高一统考期末)在正四棱锥中,底面是边长为2的正方形,侧面是腰长为的等腰三角形,则正四棱锥的外接球的体积为( )
A. B.
C. D.
4.(2023·天津和平·高一耀华中学校考期中)已知球的内接三棱锥的三条侧棱两两垂直,长度分别为和,则此球的体积为( )
A. B. C. D.
5.(2023·河南郑州·高一校考期中)已知圆柱的高为2,侧面积为,若该圆柱的上、下底面圆周都在某一球的球面上,则该球的体积为( )
A. B. C. D.
6.(2023·山东青岛·高一青岛二中校考期中)已知球与一正方体的各条棱相切,同时该正方体内接于球,则球与球的表面积之比为( )
A.2:3 B.3:2 C. D.
7.(2023·福建龙岩·高一校联考期中)西安大唐不夜城的“不倒翁小姐姐”因为一段“把手给我”的短视频而被人熟知.“不倒翁小姐姐”不倒的原因在于其脚下的半球形工具.如图,半球内有一内接正四棱锥,这个内接正四棱锥的高与半球的半径相等且体积为,那么这个半球的表面积为( )
A. B. C. D.
8.(2023·河北唐山·高一校联考期中)正四棱锥中,底面边长,侧棱,在该四棱锥的内部有一个小球,则小球表面积的最大值为( )
A. B. C. D.
二、多选题
9.(2023·福建厦门·高一厦门一中校考期中)已知圆台的上底半径为1,下底半径为3,球O与圆台的两个底面和侧面都相切,则( )
A.圆台的母线长为4 B.圆台的高为4
C.圆台的表面积为 D.球O的表面积为
10.(2023·湖南株洲·高一校联考期中)正四棱锥 的底面边长为 , 外接球的表面积为 , 则正四棱锥 的高可能是 ( )
A. B. C. D.
11.(2023·黑龙江哈尔滨·高一哈师大附中校考期中)已知正方体的棱长为,则( )
A.正方体的外接球体积为 B.正方体的内切球表面积为
C.与异面的棱共有4条 D.三棱锥与三棱锥体积相等
12.(2023·吉林长春·高一长春市第二中学校考期中)如图,棱长为2的正四面体中,分别为棱的中点,O为线段的中点,球O的表面正好经过点M,则下列结论中正确的是( )
A.平面
B.球O的体积为
C.球O被平面截得的截面面积为
D.球O被正四面体表面截得的截面周长为
三、填空题
13.(2023·安徽合肥·高一统考期中)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为32,则这个球的表面积为__________.
14.(2023·贵州贵阳·高一贵阳市白云兴农中学校考期中)如图,某几何体的形状类似胶囊,两头都是半球,中间是圆柱,其中圆柱的底面半径与半球的半径都为1,若该几何体的表面积为,则其体积为________________.
15.(2023·安徽合肥·高一校联考期中)若三棱锥的三条侧棱两两垂直,且三条侧棱长分别为,则其外接球的表面积是______.
16.(2023·浙江台州·高一校联考期中)如图,已知球O的面上四点A,B,C,P,PA⊥平面ABC,AB⊥BC,AB=1,,,则球O的体积等于____________.
17.(2023·安徽滁州·高一统考期末)《九章算术》中将四个面都是直角三角形的四面体称之为鳖臑(biē nào).已知四面体为鳖臑,平面,且,若此四面体的体积为1,则其外接球的表面积为__________.
18.(2023·江苏连云港·高一江苏省海头高级中学校考期末)已知四棱锥,⊥平面,,,,,且该四棱锥的所有顶点都在球的表面上,则球的表面积是_________.
19.(2023·山东临沂·高一统考期中)阿基米德是伟大的古希腊哲学家、数学家和物理学家,他发现“圆柱内切球的体积是圆柱体积的,且内切球的表面积也是圆柱表面积的”这一完美的结论.已知某圆柱的轴截面为正方形,其体积为,则该圆柱内切球的表面积为______.
20.(2023·陕西咸阳·高一统考期中)已知矩形ABCD的顶点都在球心为O的球面上,,,且四棱锥的体积为,则球O的表面积为_________.
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