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高中数学 立体几何 2.(第二次修订版)八个有趣模型——搞定空间几何体的外接球与内切球(教师版)

高中数学 立体几何  2.(第二次修订版)八个有趣模型——搞定空间几何体的外接球与内切球(教师版)

八个有趣模型——搞定空间几何体的外接球与内切球当讲到付雨楼老师于2018年1月14日总第539期微文章,我如获至宝.为有了教学的实施,我以付老师的文章主基石、框架,增加了我个人的理解及例题,形成此文,仍用文原名,与各位同行分享.不当之处,敬请大家批评指正.一、有关定义1.球的定义:空间中到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫球面,简称球.2.外接球的定义:若一个多面体的各个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.3.内切球的定义: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.二、外接球的有关知识与方法1.性质:性质1:过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;性质2:经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;性质3:过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面(类比:圆的垂径定理);性质4:球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;性质5:在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心(类比:在同圆中,两相交弦的中垂线交点是圆心).初图1初图22.结论:结论1:长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,即长方体的体对角线的中点是球心;结论2:若由长方体切得的多面体的所有顶点是原长方体的顶点,则所得多面体与原长方体的外接球相同;结论3:长方体的外接球直径就是面对角线及与此面垂直的棱构成的直角三角形的外接圆圆心,换言之,就是:底面的一条对角线与一条高(棱)构成的直角三角形的外接圆是大圆;结论4:圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处;结论5:圆柱体轴截面矩形的外接圆是大圆,该矩形的对角线(外接圆直径)是球的直径;结论6:直棱柱的外接球与该棱柱外接圆柱体有相同的外接球;结论7:圆锥体的外接球球心在圆锥的高所在的直线上;结论8:圆锥体轴截面等腰三角形的外接圆是大圆,该三角形的外接圆直径是球的直径;结论9:侧棱相等的棱锥的外接球与该棱锥外接圆锥有相同的外接球.3.终极利器:勾股定理、正定理及余弦定理(解三角形求线段长度);三、内切球的有关知识与方法1.若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直.(与直线切圆的结论有一致性).2.内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(类比:与多边形的内切圆).3.正多面体的内切球和外接球的球心重合.4.正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.5.基本方法:(1)构造三角形利用相似比和勾股定理;(2)体积分割是求内切球半径的通用做法(等体积法). 四、与台体相关的,此略. 五、八大模型第一讲 柱体背景的模型类型一、墙角模型(三条棱两两垂直,不找球心的位置即可求出球半径)图1-1图1-2图1-3图1-4方法:找三条两两垂直的线段,直接用公式2222)2(c b a R ++=,即2222c b a R ++=,求出R 例1 (1)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是( C ) A .π16 B .π20 C .π24 D .π32 解: 162==h a V ,2=a ,24164442222=++=++=h a a R ,π24=S ,选C ;(2)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的表面积是 π9 解:933342=++=R ,ππ942==R S ;(3)在正三棱锥S ABC -中,M N 、分别是棱SC BC 、的中点,且MN AM ⊥,若侧棱SA =,则正三棱锥ABC S -外接球的表面积是 .π36 解:引理:正三棱锥的对棱互相垂直.证明如下:如图(3)-1, 取BC AB ,的中点E D ,,连接CD AE ,,CD AE ,交于H ,连接SH , 则H 是底面正三角形ABC 的中心,∴⊥SH 平面ABC ,∴AB SH ⊥,ΘBC AC =,BD AD =,∴AB CD ⊥,∴⊥AB 平面SCD , ∴SC AB ⊥,同理:SA BC ⊥,SB AC ⊥,即正三棱锥的对棱互垂直,本题图如图(3)-2, ΘMN AM ⊥,MN SB //,∴SB AM ⊥,ΘSB AC ⊥,∴⊥SB 平面SAC , ∴SA SB ⊥,SC SB ⊥,ΘSA SB ⊥,SA BC ⊥, ∴⊥SA 平面SBC ,∴SC SA ⊥,故三棱锥ABC S -的三棱条侧棱两两互相垂直,(3)题-1(引理)AC(3)题-2(解答图)AC∴36)32()32()32()2(2222=++=R ,即3642=R ,∴正三棱锥ABC S -外接球的表面积是π36. (4)在四面体S ABC -中,ABC SA 平面⊥,,1,2,120====∠︒AB AC SA BAC 则该四面体的外接球的表面积为( D )π11.A π7.B π310.C π340.D 解:在ABC ∆中,7120cos 2222=⋅⋅-+=οBC AB AB AC BC ,7=BC ,ABC ∆的外接球直径为372237sin 2==∠=BAC BC r ,∴3404)372()2()2(2222=+=+=SA r R ,340π=S ,选D (5)如果三棱锥的三个侧面两两垂直,它们的面积分别为6、4、3,那么它的外接球的表面积是 解:由已知得三条侧棱两两垂直,设三条侧棱长分别为c b a ,,(+∈R c b a ,,),则⎪⎩⎪⎨⎧===6812ac bc ab ,∴24=abc ,∴3=a ,4=b ,2=c ,29)2(2222=++=c b a R ,ππ2942==R S , (6)已知某几何体的三视图如图所示,三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正方形,则该几何体外接球的体积为解:3)2(2222=++=c b a R ,432=R ,23=Rπππ2383334343=⋅==R V 球,类型二、对棱相等模型(补形为长方体) 题设:三棱锥(即四面体)中,已知三组对棱分别相等,求外接球半径(CD AB =,BC AD =,BD AC =) 第一步:画出一个长方体,标出三组互为异面直线的对棱; 第二步:设出长方体的长宽高分别为c b a ,,,x BC AD ==,y CD AB ==,z BD AC ==,列方程组,⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+222222222z a c y c b x b a ⇒2)2(2222222z y x c b a R ++=++=, (6)题图(6)题直观图P图2-1补充:图2-1中,abc abc abc V BCD A 31461=⨯-=-. 第三步:根据墙角模型,22222222z y x c b a R ++=++=,82222z y x R ++=,8222z y x R ++=,求出R .思考:如何求棱长为a 的正四面体体积,如何求其外接球体积?例2(1)如下图所示三棱锥A BCD -,其中5,6,7,AB CD AC BD AD BC ======则该三棱锥外接球的表面积为 .解:对棱相等,补形为长方体,如图2-1,设长宽高分别为c b a ,,,110493625)(2222=++=++c b a ,55222=++c b a ,5542=R ,π55=S(1)题图B(2)在三棱锥BCD A -中,2==CD AB ,3==BC AD ,4==BD AC ,则三棱锥BCD A -外接球的表面积为 .π229 解:如图2-1,设补形为长方体,三个长度为三对面的对角线长,设长宽高分别为c b a ,,,则922=+b a ,422=+c b ,1622=+a c ∴291649)(2222=++=++c b a ,291649)(2222=++=++c b a ,229222=++c b a ,22942=R ,π229=S (3)正四面体的各条棱长都为2,则该正面体外接球的体积为 (3)解答题解:正四面体对棱相等的模式,放入正方体中,32=R ,23=R ,ππ2383334=⋅=V (4)棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上,若过该球球心的一个截面如下图,则图中三角形(正四面体的截面)的面积是 .(4)题解答图(4)题解:如解答图,将正四面体放入正方体中,截面为1PCO ∆,面积是2.类型三、汉堡模型(直棱柱的外接球、圆柱的外接球)图3-1图3-2 图3-3题设:如图3-1,图3-2,图3-3,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)第一步:确定球心O 的位置,1O 是ABC ∆的外心,则⊥1OO 平面ABC ; 第二步:算出小圆1O 的半径r AO =1,h AA OO 212111==(h AA =1也是圆柱的高); 第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)2(r hR +=⇒22)2(hr R +=,解出R例3(1)一个正六棱柱的底面上正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上,且该六棱柱的体积为89,底面周长为3,则这个球的体积为 解:设正六边形边长为a ,正六棱柱的高为h ,底面外接圆的半径为r ,则21=a ,正六棱柱的底面积为833)21(4362=⋅⋅=S ,89833===h Sh V 柱,∴3=h ,4)3(14222=+=R 也可1)21()23(222=+=R ),1=R ,球的体积为34π=球V ; (2)直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上,若12AB AC AA ===,120BAC ∠=︒,则此球的表面积等于 . 解:32=BC ,4120sin 322==οr ,2=r ,5=R ,π20=S ; (3)已知EAB ∆所在的平面与矩形ABCD 所在的平面互相垂直,︒=∠===60,2,3AEB AD EB EA ,则多面体ABCD E -的外接球的表面积为 .π16 解:折叠型,法一:EAB ∆的外接圆半径为31=r ,11=OO ,231=+=R ;法二:231=M O ,21322==D O r ,4413432=+=R ,2=R ,π16=表S ; 法三:补形为直三棱柱,可改变直三棱柱的放置方式为立式,算法可同上,略.换一种方式,通过算圆柱的轴截面的对角线长来求球的直径:162)32()2(222=+=R ,π16=表S ;(4)在直三棱柱111C B A ABC -中,4,3,6,41====AA A AC AB π,则直三棱柱111C B A ABC -的外接球的表面积为 .π3160解:法一:282164236162=⋅⋅⋅-+=BC ,72=BC ,37423722==r ,372=r , 3404328)2(2122=+=+=AA r R ,π3160=表S ;法二:求圆柱的轴截面的对角线长得球直径,此略.第二讲 锥体背景的模型类型四、切瓜模型(两个大小圆面互相垂直且交于小圆直径——正弦定理求大圆直径是通法)图4-1图4-2图4-3图4-41.如图4-1,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的三条侧棱相等⇔三棱ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的顶点. 解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);(3)题第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R ;事实上,ACP ∆的外接圆就是大圆,直接用正弦定理也可求解出R .2.如图4-2,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且AC PA ⊥,则 利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=3.如图4-3,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径) 21212O O C O OC +=⇔2122O O r R +=⇔2122O O R AC -=4.题设:如图4-4,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)第一步:易知球心O 必是PAC ∆的外心,即PAC ∆的外接圆是大圆,先求出小圆的直径r AC 2=; 第二步:在PAC ∆中,可根据正弦定理R CcB b A a 2sin sin sin ===,求出R . 例4 (1)正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该棱锥的高为1,底面边长为32,则该球的表面积为 . 解:法一:由正弦定理(用大圆求外接球直径);法二:找球心联合勾股定理,72=R ,ππ4942==R S ;(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长和各侧棱长都为2,各顶点都在同一球面上,则此球体积为 解:方法一:找球心的位置,易知1=r ,1=h ,r h =,故球心在正方形的中心ABCD 处,1=R ,34π=V 方法二:大圆是轴截面所的外接圆,即大圆是SAC ∆的外接圆,此处特殊,SAC Rt ∆的斜边是球半径,22=R ,1=R ,34π=V . (3)一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上,则该正三棱锥的体积是( ) A .433 B .33 C .43 D .123解:高1==R h ,底面外接圆的半径为1=R ,直径为22=R ,设底面边长为a ,则260sin 2==οaR ,3=a ,433432==a S ,三棱锥的体积为4331==Sh V ; (4)在三棱锥ABC P -中,3===PC PB PA ,侧棱PA 与底面ABC 所成的角为ο60,则该三棱锥外接球的体积为( ) A .π B.3π C. 4π D.43π 解:选D ,由线面角的知识,得ABC ∆的顶点C B A ,,在以23=r 为半径的圆上,在圆锥中求解,1=R ; (5)已知三棱锥S ABC -的所有顶点都在球O 的求面上,ABC ∆是边长为1的正三角形,SC 为球O 的直径,且2SC =,则此棱锥的体积为( )AA.6 BC.3 D.2解:36)33(12221=-=-=r R OO ,362=h ,62362433131=⋅⋅==Sh V 球 类型五、垂面模型(一条直线垂直于一个平面)1.题设:如图5,⊥PA 平面ABC ,求外接球半径.解题步骤:第一步:将ABC ∆画在小圆面上,A 为小圆直径的一个端点,作小圆的直径AD ,连接PD ,则PD 必过球心O ; 第二步:1O 为ABC ∆的外心,所以⊥1OO 平面ABC ,算出小圆1O 的半径r D O =1(三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得r C c B b A a 2sin sin sin ===),PA OO 211=; 第三步:利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=.2.题设:如图5-1至5-8这七个图形,P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的 三条侧棱相等⇔三棱锥ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的 顶点.图5-1图5-2图5-3图5-4图5-6图5-7图5-8解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高); 第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R 方法二:小圆直径参与构造大圆,用正弦定理求大圆直径得球的直径. 例5 一个几何体的三视图如图所示,则该几何体外接球的表面积为( )C A .π3 B .π2 C .316πD .以上都不对解:选C , 法一:(勾股定理)利用球心的位置求球半径,球心在圆锥的高线上,221)3(R R =+-,32=R ,ππ31642==R S ;法二:(大圆法求外接球直径)如图,球心在圆锥的高线上,故圆锥的轴截面三角形PMN 的外接圆是大圆,于是3460sin 22==οR ,下略;第三讲 二面角背景的模型类型六、折叠模型题设:两个全等三角形或等腰三角形拼在一起,或菱形折叠(如图6)俯视图侧视图正视图解答图图6第一步:先画出如图6所示的图形,将BCD ∆画在小圆上,找出BCD ∆和BD A '∆的外心1H 和2H ; 第二步:过1H 和2H 分别作平面BCD 和平面BD A '的垂线,两垂线的交点即为球心O ,连接OC OE ,; 第三步:解1OEH ∆,算出1OH ,在1OCH Rt ∆中,勾股定理:22121OC CH OH =+ 注:易知21,,,H E H O 四点共面且四点共圆,证略.例6(1)三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 和△ABC 均为边长为2的正三角形,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 . 解:如图,3460sin 22221===οr r ,3221==r r ,312=H O , 35343121222=+=+=r H O R ,315=R ; 法二:312=H O ,311=H O ,1=AH , 352121222=++==O O H O AH AO R ,315=R ; (2)在直角梯形ABCD 中,CD AB //,ο90=∠A ,ο45=∠C ,1==AD AB ,沿对角线BD 折成四面体BCD A -',使平面⊥'BD A 平面BCD ,若四面体BCD A -'的顶点在同一个球面上,则该项球的表面积为 π4(2)题-2(2)题-1→A(3)题解:如图,易知球心在BC 的中点处,π4=表S ;(1)题(3)在四面体ABC S -中,BC AB ⊥,2==BC AB ,二面角B AC S --的余弦值为33-,则四面体ABC S -的外接球表面积为 π6 解:如图,法一:33)2cos(cos 211-=+∠=∠πO OO B SO , 33sin 21=∠O OO ,36cos 21=∠O OO , 22cos 21211=∠=O OO O O OO ,232112=+=R ,ππ642==R S ; 法二:延长1BO 到D 使111r BO DO ==,由余弦定理得6=SB ,2=SD ,大圆直径为62==SB R ;(4)在边长为32的菱形ABCD 中,ο60=∠BAD ,沿对角线BD 折成二面角C BD A --为ο120的四面体ABCD ,则此四面体的外接球表面积为 π28解:如图,取BD 的中点M ,ABD ∆和CBD ∆的外接圆半径为221==r r ,ABD ∆和CBD ∆的外心21,O O 到弦BD 的距离(弦心距)为121==d d , 法一:四边形21MO OO 的外接圆直径2=OM ,7=R ,π28=S ;法二:31=OO ,7=R ;法三:作出CBD ∆的外接圆直径CE ,则3==CM AM , 4=CE ,1=ME ,7=AE ,33=AC ,72147227167cos -=⋅⋅-+=∠AEC ,7233sin =∠AEC ,72723333sin 2==∠=AEC AC R ,7=R ;(5)在四棱锥ABCD 中,ο120=∠BDA ,ο150=∠BDC ,2==BD AD ,3=CD ,二面角CBD A --(4)题图的平面角的大小为ο120,则此四面体的外接球的体积为解:如图,过两小圆圆心作相应小圆所在平面的垂线确定球心,→抽象化(5)题解答图-2(5)题解答图-11B32=AB ,22=r ,弦心距32=M O ,13=BC ,131=r ,弦心距321=M O , ∴2121=O O ,72120sin 21==οO O OM , 法一:∴292222=+==OM MD OD R ,29=R ,∴329116π=球V ; 法二:2522222=-=M O OM OO ,∴29222222=+==OO r OD R ,29=R ,∴329116π=球V . 类型七、两直角三角形拼接在一起(斜边相同,也可看作矩形沿对角线折起所得三棱锥)模型图7题设:如图7,ο90=∠=∠ACB APB ,求三棱锥ABC P -外接球半径(分析:取公共的斜边的中点O ,连接OC OP ,,则AB OP OC OB OA 21====,∴O 为三棱锥ABC P -外接球球心,然后在OCP 中求出半径),当看作矩形沿对角线折起所得三棱锥时与折起成的二面角大小无关,只要不是平角球半径都为定值.例7(1)在矩形ABCD 中,4=AB ,3=BC ,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角D AC B --,则四面体ABCD 的外接球的体积为( )A .π12125 B .π9125 C .π6125 D .π3125解:(1)52==AC R ,25=R ,6125812534343πππ=⋅==R V ,选C(2)在矩形ABCD 中,2=AB ,3=BC ,沿BD 将矩形ABCD 折叠,连接AC ,所得三棱锥BCDA -的外接球的表面积为 .解:BD 的中点是球心O ,132==BD R ,ππ1342==R S .第四讲 多面体的内切球问题模型类型八、锥体的内切球问题1.题设:如图8-1,三棱锥ABC P -上正三棱锥,求其内切球的半径. 第一步:先现出内切球的截面图,H E ,分别是两个三角形的外心;第二步:求BD DH 31=,r PH PO -=,PD 是侧面ABP ∆的高; 第三步:由POE ∆相似于PDH ∆,建立等式:PDPODH OE =,解出r 2.题设:如图8-2,四棱锥ABC P -是正四棱锥,求其内切球的半径第一步:先现出内切球的截面图,H O P ,,三点共线;第二步:求BC FH 21=,r PH PO -=,PF 是侧面PCD ∆的高;第三步:由POG ∆相似于PFH ∆,建立等式:PFPOHF OG =,解出3.题设:三棱锥ABC P -是任意三棱锥,求其的内切球半径方法:等体积法,即内切球球心与四个面构成的四个三棱锥的体积之和相等 第一步:先画出四个表面的面积和整个锥体体积;第二步:设内切球的半径为r ,建立等式:PBC O PAC O PAB O ABC O ABC P V V V V V -----+++=⇒r S S S S r S r S r S r S V PBC PAC PAB ABC PBC PAC PAB ABC ABC P ⋅+++=⋅+⋅+⋅+⋅=∆∆∆∆-)(3131313131第三步:解出PBCO PAC O PAB O ABC O ABCP S S S S V r -----+++=3例8 (1)棱长为a 的正四面体的内切球表面积是 62a π,解:设正四面体内切球的半径为r ,将正四面体放入棱长为2a的正方体中(即补形为正方体),如图,则 2622313133aa V V ABC P =⋅==-正方体,又Θr a r a Sr V ABC P 223343314314=⋅⋅⋅=⋅=-, ∴263332a r a =,62a r =,∴内切球的表面积为(1)题D图8-1A图8-26422a r S ππ==表(注:还有别的方法,此略)(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长为2,侧棱长为37解:如图,正四棱锥ABCD S -的高7=h ,正四棱锥ABCD S -的体积为374=-ABCD S V 侧面斜高221=h ,正四棱锥ABCD S -的表面积为284+=表S ,正四棱锥ABCD S -的体积为r r S V ABCDS ⋅+==-328431表, ∴3743284=⋅+r , 771427)122(7221728474-=-=+=+=r (3)三棱锥ABC P -中,底面ABC ∆是边长为2的正三角形,⊥PA 底面ABC ,2=PA ,则32解:如图,3=∆ABC S ,2==∆∆ACP ABP S S ,7=∆BCP S ,743++=表S ,三棱锥ABC P -的体积为332=-ABCP V , 另一表达体积的方式是r r S V ABC P ⋅++==-347331表, ∴3323473=⋅++r ,∴47332++=r习题: 1.若三棱锥ABC S -的三条侧棱两两垂直,且2=SA ,4==SC SB ,则该三棱锥的外接球半径为( ) A.3 B.6 C.36 D.9 解:【A 】616164)2(2=++=R ,3=R【三棱锥有一侧棱垂直于底面,且底面是直角三角形】【共两种】2. 三棱锥ABC S -中,侧棱⊥SA 平面ABC ,底面ABC 是边长为3的正三角形,32=SA,则该三(2)题(3)题B棱锥的外接球体积等于 . 332π解:260sin 32==οr ,16124)2(2=+=R ,42=R ,2=R ,外接球体积332834ππ=⋅ 【外心法(加中垂线)找球心;正弦定理求球小圆半径】3.正三棱锥ABC S -中,底面ABC 是边长为3的正三角形,侧棱长为2,则该三棱锥的外接球体积等于 .解:ABC ∆外接圆的半径为 ,三棱锥ABC S -的直径为3460sin 22==οR ,外接球半径32=R , 或1)3(22+-=R R ,32=R ,外接球体积2733233834343πππ=⋅==R V , 4.三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 边长为2的正三角形,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .解:PAC ∆的外接圆是大圆,3460sin 22==οR ,32=R , 5. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,3==PC PA ,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .解:973324992cos 222=⋅⋅-+=⋅-+=∠PC PA AC PC PA P ,81216)97(1sin 22⋅=-=∠P ,924sin =∠P ,42922992422===R ,829=R 6. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,PC PA ⊥,BC AB ⊥,则三棱锥ABCP -外接球的半径为 .解:AC 是公共的斜边,AC 的中点是球心O ,球半径为1=R。

几何体外接球内切球相关知识汇总

几何体外接球内切球相关知识汇总

底面积为√ ������ ,高为 ������
������ ,体积为√ ������ ������
������ ,外接球半径 R=

⑤ 普通三棱锥的外接球,设一个面为底面,找出此面的外心,过外心做此底面的垂线,在此垂 线上找一点,使得此点到三棱锥的顶点和到任意一个底面顶点的距离相等(此垂线上任意一
点到底面三个顶点的距离都相等),则该距离就是外接球的半径,实际上这个方法适用于求 所有锥体(四棱锥、五棱锥等多棱锥)外接球的半径。
如右图,已知在正三棱锥 P-ABC 中,AB=BC=CA=������,PA=PB=PC=������, D 为 BC 边中点,连接 AD,E 为△ABC 中心(外心),E 点必在 AD 上,连接 PE,在 PE 上找到一点 O,连接 OA,使得 OP=OA=R(R 为此三棱锥外接球半径)。PE 必垂直平面 ABC,易求得:
圆柱底面半径为 r,高为 h,外接球半径为 R,则有:R= ������

② 圆柱内切球:球与圆柱的上下底面及侧面均相切,球与圆柱的上下底面相切于一点(即上下 底面的圆心),球与圆柱的侧面相切于一个圆,这个圆是圆柱的横切面圆,也是球的赤道圆,即 用平面切球体时能得到的最大的圆,只有轴切面是正方形的圆柱才有内切圆,即圆柱的高等于 它底面直径。设圆柱底面半径为 r,高为 h,内切球半径为 R,则有:R=r。
������ ������ ������ ,则:
3. 三角形的四心,设三角形三条边分别为������, ������, ������,面积为 S。正三角形四心重合。 ① 外心:三角形外接圆的圆心,即三条边垂直平分线的交点,锐角三角形外心在三角形内部,
钝角三角形外心在三角形外部,直角三角形外心即是斜边的中点,外接圆半径 R= ;

高考必考重难点:立体几何的球(外切、内接)最核心方法汇总(教师版)

高考必考重难点:立体几何的球(外切、内接)最核心方法汇总(教师版)

内切球与外接球半径求法思路破解(方法汇总) 先砍10刀试试! (9).........1 .已知一个正方体的所有顶点都在一个球面上,若球的体积为9-,则正方体的棱长为22 .平面 截千^。

的球面所得圆的半径为 1,球心O 到平面 的距离为J2 ,则此球的体积 为3 .已知底面边长为1,侧棱长为 J 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___4 .若所有侧棱长均为 1的正四面体的内切球与外接球半径分别为 r.R,求它们的比值为5 .已知正六棱柱的12个顶点都在一个半径为 3的球面上,当正六棱柱的底面边长为 J 6时, 其高的值为6 .已知正四棱锥的侧棱与底面的边长都为 3/2,则这个四棱锥的外接球的表面积为47 . 一个二梭柱的底面为正二角形,且侧梭与底面垂直,一个体积为 -------- 的球体与梭柱的所3有面都相切,那么这个三棱柱的表面积为8 .在直三棱柱ABC AB 1C 1中,AB 4, AC 6,A -,AA 1 4,则直三棱柱 3ABC AB 1c l 的外接球的表面积 。

9 .正四棱锥S ABCD 的底面边长和各侧棱长都为 J2,点S 、A B 、C 、D 都在同一球 面上,则此球的体积为.的表面积10.正四棱锥OABCD 的体积殳反2 ,底面边长为 J 3,则以。

为球心,为OA 半径的球如果上述10道题你做的很不顺畅,那么下边的这些总结,可要收好了!有关于内切球、外接球的问题,应该说是一个比较困难的问题,几乎所有同学都会感到无从下手,这是正常的,因为这类问题需要强有力的想象力,同时方法性极强。

我们就这部分问题,尽量总结全面。

1. 内切球和外接球的基本定义;立体图形的内切球是指:与该立体图形的所有面都相切的球,注意是与所有面都相切,因此,很多立体图形是不存在内切球的。

基本性质是:球心到所有面的距离相等,且为内切球半径。

立体图形的外接球是指:立体图形的所有顶点都在球面上。

几何体的外接球与内切球总结(含解析)

几何体的外接球与内切球总结(含解析)
(一)条件: 平面
1、将 画再一个小圆面上, 为直径的一个端点,做小圆的直径 ,
连接 ,则 必过球心 ;
2、 为 的外心,所以 ,算出小圆 的直径 (三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得 ), ;
3、利用勾股定理求三棱锥的外接球半径: ;
.
例2、已知三棱锥S﹣ABC的所有顶点都在球O的球面上,SA⊥平面ABC,SA=2,AB=1,AC=2,∠BAC= ,则球O的体积为( )
答案:
2、已知三棱锥P﹣ABC的四个顶点在球O的球面上,PA=PB=PC,且两两垂直,△ABC是边长为2的正三角形,则球O的体积为( )
A.8 πB.4 πC. πD. π
解析:把三棱锥P﹣ABC放入正方体中,如图所示:
∵△ABC是边长为2的正三角形,∴此正方体的棱长为 ,
∵正方体的外接球即是三棱锥P﹣ABC的外接球,∴球O的半径R= = ,
第二步:求 , , 是侧面 的高;
第三步:由 相似于 ,建立等式: ,解出
2.题设:如图,四棱锥 上正四棱锥,求其外接球的半径
第一步:先现出内切球的截面图, 三点共线;
第二步:求 , , 是侧面 的高;
第三步:由 相似于 ,建立等式: ,解出
例4、已知正三棱锥S﹣ABC的底面是面积为 的正三角形,高为2 ,则其内切球的表面积为( )
变式训练:
1、已知正三棱锥A﹣BCD中,底面边长BC为3,侧棱长AB为 ,求此正三棱锥的内切球的表面积为.
解析:设底面正三角形BCD的中心为O,可得OB= = ,
故AO= = = ,
设内切球的半径为R,则由等体积的方法可得:
(S△ABC+S△ACD+S△ABD+S△BCD)= = ,

空间几何体的外接球与内切球。专题汇编

空间几何体的外接球与内切球。专题汇编

空间几何体的外接球与内切球。

专题汇编本文介绍了空间几何体的外接球与内切球的定义、性质、结论和求解方法。

首先,球的定义是空间中到定点的距离等于定长的点的集合,简称球。

在此基础上,定义了外接球和内切球。

外接球是指一个多面体的各个顶点都在一个球的球面上,这个球是这个多面体的外接球;内切球是指一个多面体的各面都与一个球的球面相切,这个球是这个多面体的内切球。

其次,文章介绍了外接球的性质和结论。

其中,外接球的性质包括过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面;球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心。

文章还列举了各种空间几何体的外接球的结论,如长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处等。

最后,文章介绍了内切球的一个重要结论,即若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直。

同时,文章还提到了勾股定理、正定理及余弦定理等求解三角形线段长度的方法。

经过剔除格式错误和删除有问题的段落,本文更加清晰明了地介绍了空间几何体的外接球与内切球的相关知识和方法。

2.内切球与多面体各面的距离相等,外接球与多面体各顶点的距离相等,类比于多边形的内切圆。

3.正多面体的内切球和外接球的球心重合。

4.正棱锥的内切球和外接球的球心都在高线上,但不一定重合。

5.求解内切球半径的基本方法有两种:一是构造三角形利用相似比和勾股定理,二是体积分割法,即等体积法。

6.与台体相关的内容在此略过。

7.八大模型之一是墙角模型,其中三条棱两两垂直,可以直接使用公式(2R)2=a2+b2+c2求出内切球半径R。

8.举例说明:(1)已知同一球面上正四棱柱的高为4,体积为16,则其内切球表面积为24π;(2)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球表面积为9π;(3)在正三棱锥S-ABC中,M、N分别是棱SC、BC的中点,且AM垂直MN,若侧棱SA=23,则正三棱锥S-ABC外接球的表面积为36π。

空间几何体的外接球和内切球问题讲课教案

空间几何体的外接球和内切球问题讲课教案

空间几何体的外接球和内切球问题空间几何体的外接球和内切球问题类型1 外接球的问题1.必备知识:(1)简单多面体外接球的球心的结论.结论1:正方体或长方体的外接球的球心是其体对角线的中点.结论2:正棱柱的外接球的球心是上下底面中心的连线的中点.结论3:直三棱柱的外接球的球心是上下底面三角形外心的连线的中点.(2)构造正方体或长方体确定球心.(3)利用球心O 与截面圆圆心O 1的连线垂直于截面圆及球心O 与弦中点的连线垂直于弦的性质,确定球心.2.方法技巧:(1)几何体补成正方体或长方体.(2)轴截面法(3)空间向量法1AB DC AD BC BD AC ======例1-1、正四面体的棱长都为,求此四面体外接球和内切球的半径例1-2、四面体中,, 求此四面体外接球的表面积 例1-3.若三棱锥ABC S -的三条侧棱两两垂直,且2=SA ,4==SC SB ,则该三棱锥的外接球半径为( )A.3B.6C.36D.9训练1(创新110页) 某几何体的三视图如图所示,则该几何体的外接球的表面积为( )A.25πB.26πC.32πD.36π训练2(创新110页)已知边长为2的等边三角形ABC ,D 为BC 的中点,沿AD 进行折叠,使折叠后的∠BDC =π2,则过A ,B ,C ,D 四点的球的表面积为( ) A.3π B.4π C.5π D.6π例2-1(创新110页)体积为3的三棱锥P -ABC 的顶点都在球O 的球面上,P A ⊥平面ABC ,P A =2,∠ABC =120°,则球O 的体积的最小值为( ) A.773π B.2873π C.19193π D.76193π 例2-1(创新109页)三棱锥P -ABC 中,平面P AC ⊥平面ABC ,AB ⊥AC ,P A =PC =AC =2,AB =4,则三棱锥P -ABC 的外接球的表面积为( )A.23πB.234πC.64πD.643π 类型2 内切球问题1.必备知识:(1)内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(2)正多面体的内切球和外接球的球心重合. (3)正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.2.方法技巧:体积分割是求内切球半径的通用做法.【例3】 体积为4π3的球与正三棱柱的所有面均相切,则该棱柱的体积为________. 空间几何体的外接球和内切球问题近几年高考题1、(2019全国1卷第12题)已知三棱锥P ABC -的四个顶点在球O 的球面上,PA PB PC ==,△ABC 是边长为2的正三角形,E ,F 分别是PA ,PB 的中点,90CEF ∠=︒,则球O 的体积为( )A .B .C . D2、(2018全国3卷第10题).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D ABC -体积的最大值为( )A .B .C .D .3.(2017全国1卷第16题)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:cm 3)的最大值为______.4、(2017新课标全国Ⅲ理科)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( )A.πB.3π4 C.π2 D.π4 5、(2016年全国1卷第6题).如图,某几何体的三视图是三个半径相等的圆及每个圆中两条互相垂直的半径.若该几何体的体积是28π3,则它的表面积是 ( )(A )17π (B )18π (C )20π (D )28π6、(2016年全国3卷第10题)在封闭的直三棱柱ABC −A 1B 1C 1内有一个体积为V 的球,若AB ⊥BC ,AB =6,BC =8,AA 1=3,则V 的最大值是( ) (A)4π (B)9π2 (C)6π (D)32π37、(2015年全国1卷第11题).圆柱被一个平面截去一部分后与半球(半径为r )组成一个几何体,该几何体三视图中的正视图和俯视图如图所示.若该几何体的表面积为16 + 20π,则r=( )(A ) 1 (B)2 (C )4 (D )88、(2015年全国2卷第9题).已知是球的球面上两点,,为该球面上的动点.若三棱锥体积的最大值为36,则球的表面积为( ) A .36πB .64πC .144πD .256π 7.(2014·大纲全国,8)正四棱锥的顶点都在同一球面上.若该棱锥的高为4,底面边长为2,则该球的表面积为( )A.81π4B.16πC.9πD.27π49、(2013年课标1卷第6题)、如图,有一个水平放置的透明无盖的正方体容器,容器高8cm ,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( )A 、500π3cm 3B 、866π3cm 3C 、1372π3cm 3D 、2048π3cm 310、(2012课标卷第11题)已知三棱锥S ABC -的所有顶点都在球O 的求面上,ABC ∆是边长为1的正三角形,SC 为球O 的直径,且2SC =;则此棱锥的体积为( )()A 26 ()B 36 ()C 23 ()D 2211、(2011课标卷第15题)已知矩形的顶点都在半径为4的球的球面上,且,则棱锥的体积为 。

空间几何体的外接球内切球问题

空间几何体的外接球内切球问题

空间几何体的外接球内切球问题空间几何体的外接球、内切球问题自己总结供参考红岩外接球问题一.棱锥的外接球三棱锥都有外接球;底面有外接圆的任意棱锥都有外接球。

1.确定棱锥外接球球心的通法先找到棱锥底面的外接圆的圆心D ,过D 作底面的垂线DP交一侧棱的中垂面于O ,点O 即为外接球的球心。

练习:1.三棱锥S-ABC 的各顶点都在同一球面上,若SB ⊥平面ABC ,SB=6,AB=AC=2120BAC ∠=?,则此球的表面积等于。

2. 点A 、B 、C 、D 均在同一球面上,其中△ ABC 是正三角形,AD ⊥平面ABC ,AD=2AB=6则该球的体积为。

3.四面体ABCD 的四个顶点在同一球面上,AB=BC=CD=DA=3,32=AC ,6=BD ,则该球的表面积为()A .π14 B.π15 C.π16 D.π182.补成长方体或正方体,再利用体对角线是外接球直径这一结论求解。

练习:1.三棱锥O ABC -中,,,OA OB OC 两两垂直,且22OA OB OC a ===,则三棱锥O ABC -外接球的表面积为()A .26a π B .29a π C .212a π D .224a π2.已知,,,S A B C 是球O 表面上的点,SA ABC ⊥平面,AB BC ⊥,1SA AB ==,BC =O 表面积等于(A )4π (B )3π (C )2π (D )π3.,四个顶点在同一个球面上,则此球的表面积为( )A.3πB.4πD.6π4.3.公共边所对的两个角为直角确定球心法练习1.在矩形ABCD 中,4,3AB BC ==,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角B ACD --,则四面体ABCD 的外接球的体积为A.12512π B.1259π C.1256π D.1253π2.空间四边形ABCD中,1,AB BC AD DC ====ABCD 的外接球的表面积为4.利用轴截面截球为大圆确定球半径正四、六、八棱锥的外接球的一个轴截面为大圆,该圆的半径等于外接球的半径. 练习:1.正四棱锥S ABCD -S A B C D 、、、、都在同一球面上,则此球的体积为 .2.正六棱锥EF S ABCD -的底面边长为1S A B C D 、、、、、E 、F 都在同一球面上,则此球的表面积为 .3.表面积为的正八面体的各个顶点都在同一个球面上,则此球的体积为_ C_ A_ O_ D _ BA B.13π C.23π D二.棱柱的外接球底面有外接圆的直棱柱才有外接球。

关于球的历年高考真题空间几何体的外接球与内切球精品总结-- 学生版精品资料

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搞定空间几何体的外接球与内切球一、有关定义1.球的定义:空间中到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫球面,简称球.2.外接球的定义:若一个多面体的各个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.3.内切球的定义: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.二、外接球的有关知识与方法1.性质:性质1:过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;性质2:经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;性质3:过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面(类比:圆的垂径定理);性质4:球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;性质5:在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心(类比:在同圆中,两相交弦的中垂线交点是圆心).初图1初图22.结论:结论1:长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,即长方体的体对角线的中点是球心;结论2:若由长方体切得的多面体的所有顶点是原长方体的顶点,则所得多面体与原长方体的外接球相同;结论3:长方体的外接球直径就是面对角线及与此面垂直的棱构成的直角三角形的外接圆圆心,换言之,就是:底面的一条对角线与一条高(棱)构成的直角三角形的外接圆是大圆;结论4:圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处;结论5:圆柱体轴截面矩形的外接圆是大圆,该矩形的对角线(外接圆直径)是球的直径;结论6:直棱柱的外接球与该棱柱外接圆柱体有相同的外接球;结论7:圆锥体的外接球球心在圆锥的高所在的直线上;结论8:圆锥体轴截面等腰三角形的外接圆是大圆,该三角形的外接圆直径是球的直径;结论9:侧棱相等的棱锥的外接球与该棱锥外接圆锥有相同的外接球.3.终极利器:勾股定理、正定理及余弦定理(解三角形求线段长度);三、内切球的有关知识与方法1.若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直.(与直线切圆的结论有一致性).2.内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(类比:与多边形的内切圆).3.正多面体的内切球和外接球的球心重合.4.正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.5.基本方法:(1)构造三角形利用相似比和勾股定理;(2)体积分割是求内切球半径的通用做法(等体积法).四、与台体相关的,此略.五、八大模型第一讲 柱体背景的模型类型一、墙角模型(三条棱两两垂直,不找球心的位置即可求出球半径)图1-1图1-2图1-3图1-4方法:找三条两两垂直的线段,直接用公式2222)2(c b a R ++=,即2222c b a R ++=,求出R 例1 (1)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是( ) A .π16 B .π20 C .π24 D .π32 (2)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的表面积是 (3)在正三棱锥S ABC -中,M N 、分别是棱SC BC 、的中点,且MN AM ⊥,若侧棱SA =,则正三棱锥ABC S -外接球的表面积是 在四面体S ABC-中,ABCSA 平面⊥,,1,2,120====∠︒AB AC SA BAC 则该四面体的外接球的表面积为( )π11.A π7.B π310.C π340.D(5)如果三棱锥的三个侧面两两垂直,它们的面积分别为6、4、3,那么它的外接球的表面积是(6)已知某几何体的三视图如图所示,三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正方形,则该几何体外接球的体积为类型二、对棱相等模型(补形为长方体)题设:三棱锥(即四面体)中,已知三组对棱分别相等,求外接球半径(CD AB =,BC AD =,BD AC =)(6)题图(3)题-1(引理)AC图2-1第一步:画出一个长方体,标出三组互为异面直线的对棱; 第二步:设出长方体的长宽高分别为c b a ,,,x BC AD ==,y CD AB ==,z BD AC ==,列方程组,⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+222222222z a c y c b x b a ⇒2)2(2222222z y x c b a R ++=++=, 补充:图2-1中,abc abc abc V BCD A 31461=⨯-=-. 第三步:根据墙角模型,22222222z y x c b a R ++=++=,82222z y x R ++=,8222z y x R ++=,求出R .思考:如何求棱长为a 的正四面体体积,如何求其外接球体积?例2(1)如下图所示三棱锥A BCD -,其中5,6,7,AB CD AC BD AD BC ======则该三棱锥外接球的表面积为 .(1)题图B(2)在三棱锥BCD A -中,2==CD AB ,3==BC AD ,4==BD AC ,则三棱锥BCD A -外接球的表面积为 .(3)正四面体的各条棱长都为2,则该正面体外接球的体积为(3)解答题(4)棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上,若过该球球心的一个截面如下图,则图中三角形(正四面体的截面)的面积是 .(4)题解答图(4)题类型三、汉堡模型(直棱柱的外接球、圆柱的外接球)图3-1图3-2图3-3题设:如图3-1,图3-2,图3-3,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)第一步:确定球心O 的位置,1O 是ABC ∆的外心,则⊥1OO 平面ABC ; 第二步:算出小圆1O 的半径r AO =1,h AA OO 212111==(h AA =1也是圆柱的高); 第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)2(r hR +=⇒22)2(hr R +=,解出R例3(1)一个正六棱柱的底面上正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上,且该六棱柱的体积为89,底面周长为3,则这个球的体积为 (2)直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上,若12AB AC AA ===,120BAC ∠=︒,则此球的表面积等于 .(3)已知EAB ∆所在的平面与矩形ABCD 所在的平面互相垂直,︒=∠===60,2,3AEB AD EB EA ,则多面体ABCD E -的外接球的表面积为 (4)在直三棱柱111C B A ABC -中,4,3,6,41====AA A AC AB π,则直三棱柱111C B A ABC -的外接球的表面积为 .第二讲 锥体背景的模型类型四、切瓜模型(两个大小圆面互相垂直且交于小圆直径——正弦定理求大圆直径是通法)图4-1图4-2图4-3图4-41.如图4-1,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的三条侧棱相等⇔三棱ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的顶点. 解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R ;事实上,ACP ∆的外接圆就是大圆,直接用正弦定理也可求解出R .2.如图4-2,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且AC PA ⊥,则 利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=3.如图4-3,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)21212O O C O OC +=⇔2122O O r R +=⇔2122O O R AC -=4.题设:如图4-4,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)第一步:易知球心O 必是PAC ∆的外心,即PAC ∆的外接圆是大圆,先求出小圆的直径r AC 2=; 第二步:在PAC ∆中,可根据正弦定理R CcB b A a 2sin sin sin ===,求出R . 例4 (1)正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该棱锥的高为1,底面边长为32,则该球的表面积为 .(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长和各侧棱长都为2,各顶点都在同一球面上,则此球体积为 (3)一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上,则该正三棱锥的体积是( )A .433 B .33 C .43 D .123(4)在三棱锥ABC P -中,3===PC PB PA ,侧棱PA 与底面ABC 所成的角为ο60,则该三棱锥外接球的体积为( )A .π B.3πC. 4πD.43π(5)已知三棱锥S ABC -的所有顶点都在球O 的求面上,ABC ∆是边长为1的正三角形,SC 为球O 的直径,且2SC =,则此棱锥的体积为( ) A.6 B.6 C.3 D.2类型五、垂面模型(一条直线垂直于一个平面)1.题设:如图5,⊥PA 平面ABC ,求外接球半径.解题步骤:第一步:将ABC ∆画在小圆面上,A 为小圆直径的一个端点,作小圆的直径AD ,连接PD ,则PD 必过球心O ; 第二步:1O 为ABC ∆的外心,所以⊥1OO 平面ABC ,算出小圆1O 的半径r D O =1(三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得r C c B b A a 2sin sin sin ===),PA OO 211=; 第三步:利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=.2.题设:如图5-1至5-8这七个图形,P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的 三条侧棱相等⇔三棱锥ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的 顶点.图5-1图5-2图5-3图5-4图5-6图5-7图5-8解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R方法二:小圆直径参与构造大圆,用正弦定理求大圆直径得球的直径. 例5 一个几何体的三视图如图所示,则该几何体外接球的表面积为( ) A .π3 B .π2 C .316πD .以上都不对第三讲 二面角背景的模型类型六、折叠模型题设:两个全等三角形或等腰三角形拼在一起,或菱形折叠(如图6)图6第一步:先画出如图6所示的图形,将BCD ∆画在小圆上,找出BCD ∆和BD A '∆的外心1H 和2H ; 第二步:过1H 和2H 分别作平面BCD 和平面BD A '的垂线,两垂线的交点即为球心O ,连接OC OE ,; 第三步:解1OEH ∆,算出1OH ,在1OCH Rt ∆中,勾股定理:22121OC CH OH =+注:易知21,,,H E H O 四点共面且四点共圆,证略.例6(1)三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 和俯视图侧视图正视图解答图△ABC 均为边长为2的正三角形,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .(2)在直角梯形ABCD 中,CD AB //,ο90=∠A ,ο45=∠C ,1==AD AB ,沿对角线BD 折成四面体BCD A -',使平面⊥'BD A 平面BCD ,若四面体BCD A -'的顶点在同一个球面上,则该项球的表面积为(2)题-2(2)题-1→A(3)题(3)在四面体ABC S -中,BC AB ⊥,2==BC AB ,二面角B AC S --的余弦值为33-,则四面体ABC S -的外接球表面积为(4)在边长为32的菱形ABCD 中,ο60=∠BAD ,沿对角线BD 折成二面角C BD A --为ο120的四面体ABCD ,则此四面体的外接球表面积为(5)在四棱锥ABCD 中,ο120=∠BDA ,ο150=∠BDC ,2==BD AD ,3=CD ,二面角CBD A --的平面角的大小为ο120,则此四面体的外接球的体积为类型七、两直角三角形拼接在一起(斜边相同,也可看作矩形沿对角线折起所得三棱锥)模型图7(4)题图例7(1)在矩形ABCD 中,4=AB ,3=BC ,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角D AC B --,则四面体ABCD 的外接球的体积为( )A .π12125 B .π9125 C .π6125 D .π3125(2)在矩形ABCD 中,2=AB ,3=BC ,沿BD 将矩形ABCD 折叠,连接AC ,所得三棱锥BCDA -的外接球的表面积为 .第四讲 多面体的内切球问题模型类型八、锥体的内切球问题1.题设:如图8-1,三棱锥ABC P -上正三棱锥,求其内切球的半径. 第一步:先现出内切球的截面图,H E ,分别是两个三角形的外心;第二步:求BD DH 31=,r PH PO -=,PD 是侧面ABP ∆的高;第三步:由POE ∆相似于PDH ∆,建立等式:PDPODH OE =,解出r 2.题设:如图8-2,四棱锥ABC P -是正四棱锥,求其内切球的半径第一步:先现出内切球的截面图,H O P ,,三点共线;第二步:求BC FH 21=,r PH PO -=,PF 是侧面PCD ∆的高; 第三步:由POG ∆相似于PFH ∆,建立等式:PFPOHF OG =,解出3.题设:三棱锥ABC P -是任意三棱锥,求其的内切球半径方法:等体积法,即内切球球心与四个面构成的四个三棱锥的体积之和相等 第一步:先画出四个表面的面积和整个锥体体积;第二步:设内切球的半径为r ,建立等式:PBC O PAC O PAB O ABC O ABC P V V V V V -----+++=⇒r S S S S r S r S r S r S V PBC PAC PAB ABC PBC PAC PAB ABC ABC P ⋅+++=⋅+⋅+⋅+⋅=∆∆∆∆-)(3131313131第三步:解出PBCO PAC O PAB O ABC O ABCP S S S S V r -----+++=3例8 (1)棱长为a 的正四面体的内切球表面积是(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长为2,侧棱长为3,则其内切球的半径为(3)三棱锥ABC P -中,底面ABC ∆是边长为2的正三角形,⊥PA 底面ABC ,2=PA ,则该三棱锥的内切球半径为习题:1.若三棱锥ABC S -的三条侧棱两两垂直,且2=SA ,4==SC SB ,则该三棱锥的外接球半径为( ) A.3 B.6 C.36 D.92. 三棱锥ABC S -中,侧棱⊥SA 平面ABC ,底面ABC 是边长为3的正三角形,32=SA ,则该三棱锥的外接球体积等B图8-1A图8-2于 .332π3.正三棱锥ABC S -中,底面ABC 是边长为3的正三角形,侧棱长为2,则该三棱锥的外接球体积等于 .4.三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 边长为2的正三角形,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .5. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,3==PC PA ,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 . 6. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,PC PA ⊥,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .。

立体几何中球的内切和外接问题(完美版)

立体几何中球的内切和外接问题(完美版)

C 1
注意:①割补法,② V多面体 3 S全 r内切球
变式训练:一个正方体内接于一个球,过球心作一截面,如 图所示,则截面的可能图形是( )




• A .①② B.②④ C.①②③ D.②③④
D A
D1 A1
C
B O
C1 B1
球的内接正方体的对角线等于球直径。
变式训练:已知正四面体内接于一个球,某人画出四 个过球心的平面截球与正四面体所得的图形如下,
的动点,当弦 MN 的长度最大时, PM • PN 的取值范围是

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球与多面体的内切、外接
球的半径r和正方体 的棱长a有什么关系?
.r
a
一、 球体的体积与表面积


二、球与多面体的接、切
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,
这个球多是面这体个的外接球

定义2:若一个多面体的各面都与一个球的球面相切,
,即 为该四面体的外接球的球心
A
O
C
所以该外接球的体积为
03
破译规律-特别提

2 例题剖析-针对讲 解
04
举一反三-突破提

4 举一反三-突破提 升 1、(2015 海淀二模)已知斜三棱柱的三 视图如图所示,该斜三棱柱的体积为 ______.
4 举一反三-突破提 升
2、(2015 郑州三模) 正三角形ABC的2 边3 长
5 正棱锥的外接球的球心是在其 高上

外接球、内切球模型总结专题课件-高三数学二轮复习备考课件

外接球、内切球模型总结专题课件-高三数学二轮复习备考课件
∴正三棱锥 − 的三条侧棱两两互相垂直
把三棱锥补形为正方体,则正方体外接球即为三棱锥的外接球
其直径为 =


=
1
2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2
2
=
1
2 + 2 + 2 =
2

1




2 + 2 + 2
半径为
6
2
4
球 = ×








找三条两两垂直的线段,直接用公式 2
即2 = 2 + 2 + 2 ,求出

2


= 2 + 2 + 2 ,


例1 (1)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的
表面积是( C )
B. 20
A.16
C. 24
D. 32
= 2 ℎ = 16
则该四面体的外接球的表面积为( D )
A. 11
B. 7




1


C.
10

3
D.
40

3

��
2 = 2 + 2 − 2 ⋅ ⋅ cos120∘

=7
= 7

的外接球直径为
7 2 7

=
2 =
=
sin∠
3
3
2
∵ ⊥平面 ∴ ⊥ ∴ ∆是直角三角形
是这个球的外切多面体,这个球是这个多面体的内切球.

立体几何专题六 外接球与内切球解法大全(教师版)

立体几何专题六 外接球与内切球解法大全(教师版)

立体几何专题六 外接球与内切球问题(教师版)立体几何中的外接球与内切球问题,是立体几何的常考题型,也是难点问题。

知识准备:1.直角三角形外接圆的圆心在斜边的中点处,2.求三角形外接圆半径常用正弦定理:()2,sin sin sin a b c C R R A B ===为三角形外接圆的半径,3.球心与截面圆的圆心的连线垂直于截面圆【例1】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】92π 【解析】设正方体的边长为a ,则2618a a =⇒=23R ==,故这个球的体积34π3V R ==4279ππ382⨯=. 【例2】长方体的三个相邻面的面积分别为2,3,6,这个长方体的顶点都在同一个球面上,则这个球的面积为( )A.72π B.56π C.14π D.64π 分析:长方体的外接球直径为常长方体体对角线长。

解析: C. 设长方体的过同一顶点的三条棱长分别为a,b,c ,则ab 2bc 3ac 6=⎧⎪=⎨⎪=⎩,得a 2b 1,c 3=⎧⎪=⎨⎪=⎩令球的半径为R ,则()222327221314,=2R R =++=∴。

22=4=414S R R πππ∴=球。

【变式1】 一个正方体的八个顶点都在同一个球面上,已知这个球的表面积是12π,那么这个正方体的体积是( ) A. 3 B .4 3 C .8 D .24解析: C 设球的半径为R ,则4πR 2=12π,从而R =3,所以正方体的体对角线为23,故正方体的棱长为2,体积为23=8,故选C.【变式2】若长方体的一个顶点上三条棱长分别为3,4,5.则长方体外接球的表面积为( )A .40πB .35πC .50πD .60π设球的半径为R ,由题意,球的直径即为长方体的体对角线的长,则2222234550R =++=(),∴R .∴24π50πS R =⨯=球,故选C . 【题型二】正棱柱的外接球的球心是上下底面中心的连线的中点,直三棱柱的外接球的球心是上下底面三角形外心的连线的中点。

外接球与内切八大模型—老师专用-完整版

外接球与内切八大模型—老师专用-完整版

外接球与内切八大模型—老师专用-完整版一、落点模型落点模型是最常见的外接球与内切八大模型之一,又称“落点式剖分”,这种模型以外接圆上的点或圆上的点为出发点,将外接球剖分成八个部分,每一部分都有内切球及其外接球。

二、本体模型本体模型也被称为“宽度式剖分”,它在外接球的正六面包围范围内剖分成八个部分,每一部分都有内切球及其外接球;同时,本体模型所得到的八个部分也可以进一步分解,细分成多个较小的部分。

三、前体模型前体模型是一种采用正四面体做为起始几何体,以其棱的延伸来形成的八大模型。

前体模型的八大模型,可以按照相应的八条边将外接球剖分为八个部分,每部分又限制有内切球及其外接球。

四、平行模型使用平行模型可以将外接球剖分成八大部分,添加一定的边框作为分割,使得八大分区内外有明显的差异,在内部外围有各自的内切球和外接球,有利于下一步分割出更多的空间场景。

五、四边形模型四边形模型是采用正常四边形在外接球状况下进行剖分,这种方式的八大模型分割可以更好的凸显出外接球的外形轮廓,且面单元四边形数量多,有利于下一步更精确的探索空间场景。

六、转换模型转换模型是一类引入正八面体模型,将正八面体在外接球表面上进行投影移动,这种方式会产生更多有效的分割,分割后集单元能够利用较多的边界,更有利于细分和探索空间结构的连续特征。

七、锥形模型锥形模型是将外接球剖分成八个部分,以便进一步剖分,使得每一部分可以有较多的边界,以利外接球的空间结构被精准地描述。

八、折叠模型折叠模型是通过介入外接球的球面上建立四面体作为折痕,使外接球分割成不同部分,而且可以精细化分割,以便于更精准地描述外接球的结构。

八个模型全搞定空间几何的外接球和内切球问题(教师版)

八个模型全搞定空间几何的外接球和内切球问题(教师版)

八个模型搞定空间几何体的外接球与内切球一、直棱柱模型1.已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是242.一个正六棱柱的底面上正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上,且该六棱柱的体积为98,底面周长为3,则这个球的体积为433.直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上,若12AB AC AA ===,120BAC ∠=︒,则此球的表面积等于20。

4.在直三棱柱ABC A B C 111中,,,,AB AC A AA14643则直三棱柱ABC A B C 111的外接球的表面积为1603。

5.若三棱锥S ABC 的三条侧棱两两垂直,且SA 2,SB SC 4,则该三棱锥的外接球半径为36.三棱锥S ABC 中,侧棱SA 平面ABC ,底面ABC 的正三角形,SA ,则该三棱锥的外接球体积等于323.,则其外接球的表面积是98.在四面体S ABC -中,SA ABC 平面,,,,BAC SA AC AB 12021则该四面体的外接球的表面积为403二、棱锥所有侧棱相等模型1、一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一2.正三棱锥S ABC 中,底面ABC 侧棱长为2,则该三棱锥3、在三棱锥P ABC 中,PA PB PC ,侧棱PA 与底面ABC 所成的角为60 ,则该三棱锥外接球的体积为43三、侧面与底面垂直模型1、三棱锥P ABC 中,平面PAC 平面ABC ,AC 2,PA PC 3,AB BC ,则三棱锥P ABC 外接球的半径为643.2、三棱锥P ABC 中,平面PAC 平面ABC ,△PAC 边长为2的正三角形,AB BC ,则三棱锥P ABC 3、已知EAB 所在的平面与矩形ABCD 所在的平面互相垂直,,EA EB AD AEB 3260,则多面体E ABCD 的外接球的表面积为16。

外接球与内切八大模型—老师专用

外接球与内切八大模型—老师专用

外接球与内切八大模型—老师专用外接球与内切八大模型—老师专用墙角模型墙角模型是一种求解球半径的方法。

只需找到三条两两垂直的线段,就可以使用公式(2R) = a + b + c 或 2R = a^2 + b^2 + c^2 来求出球半径R。

例如,已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是多少?解:V = ah = 16,a = 2,4R = a + a + h = 4 + 4 + 16 = 24,S = 24π。

在另一个例子中,若三棱锥的三个侧面两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的表面积是9π。

解:4R = 3 + 3 + 3 = 9,S = 4πR = 9π。

正三棱锥的对棱互垂直。

证明如下:如图(3)-1,取AB,BC的中点D,E,连接AE,CD,AE,CD交于H,连接SH,则H是底面正三角形ABC的中心,因此SH垂直于平面ABC,又SH垂直于AB,因此SH垂直于平面SCD,即AB垂直于SC,同理可证BC垂直于SA,AC垂直于SB,即正三棱锥的对棱互垂直。

在正三棱锥S-ABC中,M、N分别是棱SC、BC的中点,且AM垂直于MN,若侧棱SA=23,则正三棱锥S-ABC外接球的表面积是36π。

解:由前面的证明可知,正三棱锥S-ABC 的三棱条侧棱两两互相垂直,因此可以使用公式4R^2 = a^2 +b^2 + c^2 来求解。

由于SA=23,因此可以得到4R^2 = 36,即R^2 = 9,因此R = 3,外接球的表面积为36π。

如果三棱锥的三个侧面两两垂直,它们的面积分别为6、4、3,那么它的外接球的表面积是多少?球的表面积为(D)11π。

这个问题有误,因为三个侧面两两垂直的三棱锥不存在,因此无法回答这个问题。

已知某几何体的三视图如图所示,三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正方形,则该几何体外接球的体积为多少?这个问题可以使用解析几何的方法来求解。

根据三视图可以得到该几何体的顶点坐标为(0,0,0),(0,0,1),(1,0,0),(0,1,0)和(1,1,1)。

高中数学立体几何之外接球与内切球问题常见模型归纳(完整版)

高中数学立体几何之外接球与内切球问题常见模型归纳(完整版)

外接球问题江西省永丰中学陈保进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。

若一个定点到一个多面体的所有顶点的距离都相等,则这个定点就是该多面体外接球的球心。

以下为常见模型。

1、长方体模型结论:长方体的外接球的球心为其体对角线的中点,直径为体对角线。

公式:2222c b a R ++=(a ,b ,c 为长宽高)补充:以下情况可转化成长方体模型。

①若三棱锥的三条棱PA ,PB ,PC 两两互相垂直(墙角模型),则可在长方体中构造。

2222PC PB P A R ++=②正四面体P -ABC 可在正方体中构造,正方体棱长2=PA a ③若三棱锥的三组对棱两两相等,则可在长方体中构造。

设AC =BP =m ,AP =BC =n ,AB=PC =t ,则⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+222222222t c b n c a m b a ,三式相加,222222)(2t n m c b a ++=++2)2(2222222t n m c b a R ++=++=abc2、直三棱柱模型结论:直三棱柱外接球的球心是上、下底面外心连线的中点,222()2hR r =+r 为底面三角形外接圆的半径,可用正弦定理求,h 为直三棱柱的高。

补充:有一条侧棱垂直底面的三棱锥可补成直三棱柱,如图P -ABC 中,PA ⊥平面ABC ,则可补成直三棱柱PB 1C 1-ABC ,外接球半径公式同上。

提醒:底面具有外接圆的直棱柱才有外接球,比如正棱柱,且球心在上、下底面外心连线的中点,底面无外接圆的直棱柱,以及所有斜棱柱均无外接球。

3、共斜边模型四面体D-ABC 中,DC AD ⊥,BC AB ⊥,AC 为公共的斜边,O 为AC 的中点,则O 为四面体D-ABC 外接球的球心。

4、正棱锥模型外接球的球心在正棱锥的高所在直线上,如图正三棱锥A-BCD 中,作AO 1⊥平面BCD ,则易得BO 1=CO 1=DO 1,所以O 1为△BCD 的外心,设O 为其外接球球心,半径为R ,则BO =AO =R ,设AO 1=h ,BO 1=r ,则由BO 2=BO 12+OO 12,得R 2=r 2+(h-R )2。

立体几何中的外接球与内切球问题

立体几何中的外接球与内切球问题

立体几何中的外接球与内切球问题在我们的数学学习中,立体几何是非常重要的一部分。

在立体几何学习中,我们不仅需要掌握各种图形的形状和性质,也需要深入了解这些图形中的各种关系。

其中外接球和内切球是两个非常重要的概念,在立体几何中被广泛使用。

一、外接球外接球是指和一个多面体的所有顶点都相切的球。

在三维空间中,一个正四面体的外接球,就是四面体的四个顶点构成的球。

同理,其他多面体都有一组外接球。

外接球的性质可以帮助我们计算多面体的各种数据。

对于正四面体而言,我们可以得知,外接球的半径和棱长之间的关系为:外接球的半径等于正四面体棱长的一半。

这个特点可以应用于其他多面体中,为我们计算多面体提供更多帮助。

二、内切球内切球是指可以被一个多面体的所有面都切到的球。

在三维空间中,一个正四面体的内切球,就是以正四面体的每个面为切面所构成的球。

同理,其他多面体都有一组内切球。

内切球的性质可以帮助我们更好地了解多面体的各种性质。

对于正四面体而言,我们可以得知,内切球的半径和棱长之间的关系为:内切球的半径等于正四面体棱长的三分之一。

通过内切球的特点,我们可以更好地了解多面体的横截面形状,深入了解多面体的性质。

三、外接球与内切球的应用外接球和内切球在数学学科中非常重要。

在生活中,我们可以看到不少与这两个概念有关的例子。

例如,在搭建玩具拼图时,我们可以注意到玩具拼图中各个构件的外接球和内切球的关系。

同样的,建筑设计和工程规划中也常常涉及到多面体的外接球和内切球问题。

此外,街头艺术品和雕塑等艺术作品中也常常出现多面体和其相应的外接球或内切球。

总之,立体几何中的外接球和内切球是我们不能忽视的重要概念。

它们不仅仅是数学学科中的知识点,也与我们日常生活中的许多方面有着密不可分的关系。

因此,我们应该更加深入了解这两个概念,并将其应用在我们的学习和生活中,从而更好地了解和利用立体几何的基础知识。

空间几何体的外接球与内切球精品总结-- 学生版精品资料

空间几何体的外接球与内切球精品总结-- 学生版精品资料

搞定空间几何体的外接球与内切球一、有关定义1.球的定义:空间中到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫球面,简称球.2.外接球的定义:若一个多面体的各个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.3.内切球的定义: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.二、外接球的有关知识与方法1.性质:性质1:过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;性质2:经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;性质3:过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面(类比:圆的垂径定理);性质4:球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;性质5:在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心(类比:在同圆中,两相交弦的中垂线交点是圆心).初图1初图22.结论:结论1:长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,即长方体的体对角线的中点是球心;结论2:若由长方体切得的多面体的所有顶点是原长方体的顶点,则所得多面体与原长方体的外接球相同;结论3:长方体的外接球直径就是面对角线及与此面垂直的棱构成的直角三角形的外接圆圆心,换言之,就是:底面的一条对角线与一条高(棱)构成的直角三角形的外接圆是大圆;结论4:圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处;结论5:圆柱体轴截面矩形的外接圆是大圆,该矩形的对角线(外接圆直径)是球的直径;结论6:直棱柱的外接球与该棱柱外接圆柱体有相同的外接球;结论7:圆锥体的外接球球心在圆锥的高所在的直线上;结论8:圆锥体轴截面等腰三角形的外接圆是大圆,该三角形的外接圆直径是球的直径;结论9:侧棱相等的棱锥的外接球与该棱锥外接圆锥有相同的外接球.3.终极利器:勾股定理、正定理及余弦定理(解三角形求线段长度);三、内切球的有关知识与方法1.若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直.(与直线切圆的结论有一致性).2.内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(类比:与多边形的内切圆).3.正多面体的内切球和外接球的球心重合.4.正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.5.基本方法:(1)构造三角形利用相似比和勾股定理;(2)体积分割是求内切球半径的通用做法(等体积法).四、与台体相关的,此略.五、八大模型第一讲 柱体背景的模型类型一、墙角模型(三条棱两两垂直,不找球心的位置即可求出球半径)图1-1图1-2图1-3图1-4方法:找三条两两垂直的线段,直接用公式2222)2(c b a R ++=,即2222c b a R ++=,求出R 例1 (1)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是( ) A .π16 B .π20 C .π24 D .π32 (2)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的表面积是 (3)在正三棱锥S ABC -中,M N 、分别是棱SC BC 、的中点,且MN AM ⊥,若侧棱SA =,则正三棱锥ABC S -外接球的表面积是 在四面体S ABC-中,ABCSA 平面⊥,,1,2,120====∠︒AB AC SA BAC 则该四面体的外接球的表面积为( )π11.A π7.B π310.C π340.D(5)如果三棱锥的三个侧面两两垂直,它们的面积分别为6、4、3,那么它的外接球的表面积是(6)已知某几何体的三视图如图所示,三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正方形,则该几何体外接球的体积为类型二、对棱相等模型(补形为长方体)题设:三棱锥(即四面体)中,已知三组对棱分别相等,求外接球半径(CD AB =,BC AD =,BD AC =)(6)题图(3)题-1(引理)AC图2-1第一步:画出一个长方体,标出三组互为异面直线的对棱; 第二步:设出长方体的长宽高分别为c b a ,,,x BC AD ==,y CD AB ==,z BD AC ==,列方程组,⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+222222222z a c y c b x b a ⇒2)2(2222222z y x c b a R ++=++=, 补充:图2-1中,abc abc abc V BCD A 31461=⨯-=-. 第三步:根据墙角模型,22222222z y x c b a R ++=++=,82222z y x R ++=,8222z y x R ++=,求出R .思考:如何求棱长为a 的正四面体体积,如何求其外接球体积?例2(1)如下图所示三棱锥A BCD -,其中5,6,7,AB CD AC BD AD BC ======则该三棱锥外接球的表面积为 .(1)题图B(2)在三棱锥BCD A -中,2==CD AB ,3==BC AD ,4==BD AC ,则三棱锥BCD A -外接球的表面积为 .(3)正四面体的各条棱长都为2,则该正面体外接球的体积为(3)解答题(4)棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上,若过该球球心的一个截面如下图,则图中三角形(正四面体的截面)的面积是 .(4)题解答图(4)题类型三、汉堡模型(直棱柱的外接球、圆柱的外接球)图3-1图3-2图3-3题设:如图3-1,图3-2,图3-3,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)第一步:确定球心O 的位置,1O 是ABC ∆的外心,则⊥1OO 平面ABC ; 第二步:算出小圆1O 的半径r AO =1,h AA OO 212111==(h AA =1也是圆柱的高); 第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)2(r hR +=⇒22)2(hr R +=,解出R例3(1)一个正六棱柱的底面上正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上,且该六棱柱的体积为89,底面周长为3,则这个球的体积为 (2)直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上,若12AB AC AA ===,120BAC ∠=︒,则此球的表面积等于 .(3)已知EAB ∆所在的平面与矩形ABCD 所在的平面互相垂直,︒=∠===60,2,3AEB AD EB EA ,则多面体ABCD E -的外接球的表面积为 (4)在直三棱柱111C B A ABC -中,4,3,6,41====AA A AC AB π,则直三棱柱111C B A ABC -的外接球的表面积为 .第二讲 锥体背景的模型类型四、切瓜模型(两个大小圆面互相垂直且交于小圆直径——正弦定理求大圆直径是通法)图4-1图4-2图4-3图4-41.如图4-1,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的三条侧棱相等⇔三棱ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的顶点. 解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R ;事实上,ACP ∆的外接圆就是大圆,直接用正弦定理也可求解出R .2.如图4-2,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且AC PA ⊥,则 利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=3.如图4-3,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)21212O O C O OC +=⇔2122O O r R +=⇔2122O O R AC -=4.题设:如图4-4,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)第一步:易知球心O 必是PAC ∆的外心,即PAC ∆的外接圆是大圆,先求出小圆的直径r AC 2=; 第二步:在PAC ∆中,可根据正弦定理R CcB b A a 2sin sin sin ===,求出R . 例4 (1)正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该棱锥的高为1,底面边长为32,则该球的表面积为 .(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长和各侧棱长都为2,各顶点都在同一球面上,则此球体积为 (3)一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上,则该正三棱锥的体积是( )A .433 B .33 C .43 D .123(4)在三棱锥ABC P -中,3===PC PB PA ,侧棱PA 与底面ABC 所成的角为ο60,则该三棱锥外接球的体积为( )A .π B.3πC. 4πD.43π(5)已知三棱锥S ABC -的所有顶点都在球O 的求面上,ABC ∆是边长为1的正三角形,SC 为球O 的直径,且2SC =,则此棱锥的体积为( ) A.6 B.6 C.3 D.2类型五、垂面模型(一条直线垂直于一个平面)1.题设:如图5,⊥PA 平面ABC ,求外接球半径.解题步骤:第一步:将ABC ∆画在小圆面上,A 为小圆直径的一个端点,作小圆的直径AD ,连接PD ,则PD 必过球心O ; 第二步:1O 为ABC ∆的外心,所以⊥1OO 平面ABC ,算出小圆1O 的半径r D O =1(三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得r C c B b A a 2sin sin sin ===),PA OO 211=; 第三步:利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=.2.题设:如图5-1至5-8这七个图形,P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的 三条侧棱相等⇔三棱锥ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的 顶点.图5-1图5-2图5-3图5-4图5-6图5-7图5-8解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R方法二:小圆直径参与构造大圆,用正弦定理求大圆直径得球的直径. 例5 一个几何体的三视图如图所示,则该几何体外接球的表面积为( ) A .π3 B .π2 C .316πD .以上都不对第三讲 二面角背景的模型类型六、折叠模型题设:两个全等三角形或等腰三角形拼在一起,或菱形折叠(如图6)图6第一步:先画出如图6所示的图形,将BCD ∆画在小圆上,找出BCD ∆和BD A '∆的外心1H 和2H ; 第二步:过1H 和2H 分别作平面BCD 和平面BD A '的垂线,两垂线的交点即为球心O ,连接OC OE ,; 第三步:解1OEH ∆,算出1OH ,在1OCH Rt ∆中,勾股定理:22121OC CH OH =+注:易知21,,,H E H O 四点共面且四点共圆,证略.例6(1)三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 和俯视图侧视图正视图解答图△ABC 均为边长为2的正三角形,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .(2)在直角梯形ABCD 中,CD AB //,ο90=∠A ,ο45=∠C ,1==AD AB ,沿对角线BD 折成四面体BCD A -',使平面⊥'BD A 平面BCD ,若四面体BCD A -'的顶点在同一个球面上,则该项球的表面积为(2)题-2(2)题-1→A(3)题(3)在四面体ABC S -中,BC AB ⊥,2==BC AB ,二面角B AC S --的余弦值为33-,则四面体ABC S -的外接球表面积为(4)在边长为32的菱形ABCD 中,ο60=∠BAD ,沿对角线BD 折成二面角C BD A --为ο120的四面体ABCD ,则此四面体的外接球表面积为(5)在四棱锥ABCD 中,ο120=∠BDA ,ο150=∠BDC ,2==BD AD ,3=CD ,二面角CBD A --的平面角的大小为ο120,则此四面体的外接球的体积为类型七、两直角三角形拼接在一起(斜边相同,也可看作矩形沿对角线折起所得三棱锥)模型图7(4)题图例7(1)在矩形ABCD 中,4=AB ,3=BC ,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角D AC B --,则四面体ABCD 的外接球的体积为( )A .π12125 B .π9125 C .π6125 D .π3125(2)在矩形ABCD 中,2=AB ,3=BC ,沿BD 将矩形ABCD 折叠,连接AC ,所得三棱锥BCDA -的外接球的表面积为 .第四讲 多面体的内切球问题模型类型八、锥体的内切球问题1.题设:如图8-1,三棱锥ABC P -上正三棱锥,求其内切球的半径. 第一步:先现出内切球的截面图,H E ,分别是两个三角形的外心;第二步:求BD DH 31=,r PH PO -=,PD 是侧面ABP ∆的高;第三步:由POE ∆相似于PDH ∆,建立等式:PDPODH OE =,解出r 2.题设:如图8-2,四棱锥ABC P -是正四棱锥,求其内切球的半径第一步:先现出内切球的截面图,H O P ,,三点共线;第二步:求BC FH 21=,r PH PO -=,PF 是侧面PCD ∆的高; 第三步:由POG ∆相似于PFH ∆,建立等式:PFPOHF OG =,解出3.题设:三棱锥ABC P -是任意三棱锥,求其的内切球半径方法:等体积法,即内切球球心与四个面构成的四个三棱锥的体积之和相等 第一步:先画出四个表面的面积和整个锥体体积;第二步:设内切球的半径为r ,建立等式:PBC O PAC O PAB O ABC O ABC P V V V V V -----+++=⇒r S S S S r S r S r S r S V PBC PAC PAB ABC PBC PAC PAB ABC ABC P ⋅+++=⋅+⋅+⋅+⋅=∆∆∆∆-)(3131313131第三步:解出PBCO PAC O PAB O ABC O ABCP S S S S V r -----+++=3例8 (1)棱长为a 的正四面体的内切球表面积是(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长为2,侧棱长为3,则其内切球的半径为(3)三棱锥ABC P -中,底面ABC ∆是边长为2的正三角形,⊥PA 底面ABC ,2=PA ,则该三棱锥的内切球半径为习题:1.若三棱锥ABC S -的三条侧棱两两垂直,且2=SA ,4==SC SB ,则该三棱锥的外接球半径为( ) A.3 B.6 C.36 D.92. 三棱锥ABC S -中,侧棱⊥SA 平面ABC ,底面ABC 是边长为3的正三角形,32=SA ,则该三棱锥的外接球体积等B图8-1A图8-2于 .332π3.正三棱锥ABC S -中,底面ABC 是边长为3的正三角形,侧棱长为2,则该三棱锥的外接球体积等于 .4.三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 边长为2的正三角形,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .5. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,3==PC PA ,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 . 6. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,PC PA ⊥,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .。

几何体的内切球和外接球-三视图-教师版讲义

几何体的内切球和外接球-三视图-教师版讲义

专题:几何体的内切球和外接球三视图[学习目标]1.掌握几何体的内切球和外接球问题;2.掌握几何体的三视图.※自主研读学习单※1.如果一个球与几何体的各个面都相切,球为几何体的内切球;2.如果一个几何体的所有顶点都在球面上,球为几何体的外接球;3.棱长为a 的正四面体的高为________;它的外接球半径R 为________;内切球半径为________;球心为高的_____等分点.解:如图所示,设点O 是内切球的球心,正四面体棱长为a .由图形的对称性知,点O 也是外接球的球心.设内切球半径为r ,外接球半径为R . 正四面体的表面积223434a a S =⨯=表. 正四面体的体积22221234331BE AB a AE a V BCD A -=⨯⨯=- BCD A V r S -=⋅表31 ,a aa S V r BCD A 12631223323=⨯==∴-表 在BEO Rt ∆中,222EO BE BO +=,即22233r a R +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=,得a R 46=,得r R 3= 变式:一个正四面体内切球的表面积为π3,求正四面体的棱长.〔答案为:32〕4.正方体的内切球2a R =: 5.与正方体各棱相切的球:球与正方体的各棱相切,切点为各棱的中点,a R 22=6.正方体的外接球:正方体的八个顶点都在球面上,a O A R 231==. 变式:一棱长为a 2的框架型正方体,内放一能充气吹胀的气球,求当球与正方体棱适好接触但又不至于变形时的球的体积.〔答案为()33482233V a a ππ==〕 7.正棱柱的外接球,其球心定在上下底面中心连线的中点处,由球心、底面中心与底面一顶点构成的直角三角形便可得球半径.※合作探究学习单※题型一几何体的内切球和外接球例1.正三棱锥的高为1,底面边长为62,正三棱锥内有一个球与其四个面相切.求球的表面积与体积. 解:如图,球O 是正三棱锥ABC P -的内切球,O 到正三棱锥四个面的距离都是球的半径R . PH 是正三棱锥的高,即1=PH .E 是BC 边中点,H 在AE 上,ABC ∆的边长为62,∴26263=⨯=HE .∴3=PE 可以得到2321=⋅===∆∆∆PE BC S S S PBC PAC PAB .36)62(432==∆ABC S 由等体积法,ABC O PBC O PAC O PAB O ABC P V V V V V -----+++=∴R R ⨯⨯+⨯⨯⨯=⨯⨯36313233113631得:2633232-=+=R , ∴πππ)625(8)26(4422-=-==R S 球.∴33)26(3434-==ππR V 球. 例2.求球与它的外切圆柱、外切等边圆锥的体积之比.分析:首先画出球与它的外切圆柱、等边圆锥,它们公共的轴截面,然后寻找几何体与几何体之间元素的关系.解:如图,等边SAB ∆为圆锥的轴截面,此截面截圆柱得正方形11CDD C ,截球面得球的大圆圆1O .设球的半径R OO =1,则它的外切圆柱的高为R 2,底面半径为R ;R O O OB 330cot 1=︒⋅=,R R OB SO 33360tan =⋅=︒⋅=,∴334R V π=球,3222R R R V ππ=⋅=柱,3233)3(31R R R V ππ=⋅⋅=锥, ∴964∶∶∶∶锥柱球=V V V . 例3.已知正三棱柱111C B A ABC -的六个顶点在球1O 上,又知球2O 与此正三棱柱的5个面都相切,求球1O 与球2O 的体积之比与表面积之比.分析:先画出过球心的截面图,再来探求半径之间的关系.解:如图,由题意得两球心1O 、2O 是重合的,过正三棱柱的一条侧棱1AA 和它们的球心作截面,设正三棱柱底面边长为a ,则a R 632=, 正三棱柱的高为a R h 3322==,由O D A Rt 11∆中,得 22222221125633333a a a R a R =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=,a R 1251=∴ 1:5::222121==∴R R S S ,1:55:21=V V例4.设棱锥ABCD M -的底面是正方形,且MD MA =,AB MA ⊥,如果AMD ∆的面积为1,试求能够放入这个棱锥的最大球的半径.解:⊥∴⊥⊥AB MA AB AD AB ,, 平面MAD ,由此,面⊥MAD 面AC .记E 是AD 的中点,从而AD ME ⊥.⊥∴ME 平面AC ,EF ME ⊥设球O 是与平面MAD 、平面AC 、平面MBC 都相切的球.如图2,得截面图MEF ∆与内切圆O不妨设∈O 平面MEF ,于是O 是MEF ∆的内心.设球O 的半径为r ,则MFEM EF S r MEF ++=∆2,设a EF AD ==,1=∆AMD S . 222,2⎪⎭⎫ ⎝⎛+==∴a a MF a EM ,12222222222-=+≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=a a a a r当且仅当aa 2=,即2=a 时,等号成立. ∴当2==ME AD 时,满足条件的球最大半径为12-.例5.在矩形ABCD 中,4,3AB BC ==,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角B AC D --,则四面体ABCD 的外接球的体积为A.12512πB.1259πC.1256πD.1253π 解设矩形对角线的交点为O ,则由矩形对角线互相平分,可知OA OB OC OD ===.∴点O 到四面体的四个顶点A B C D 、、、的距离相等,即点O 为四面体的外接球的球心,∴外接球的半径52R OA ==.故3412536V R ππ==球.选C. 题型二几何体的三视图三视图常考查:①三视图的识别与还原问题;②以三视图为载体考查空间几何体的表面积、体积等问题.主要考查学生的空间想象能力与运算能力,是近几年高考的热点. 例1.已知某个几何体的三视图如图,根据图中标出的尺寸<单位:cm>,可得这个几何体的体积是<>.A.错误! cm 3B.错误! cm 3C .2 000 cm 3D .4 000 cm 3[审题视点] 画出直观图后求解.[此几何体的图为SABCD ,且平面SCD ⊥平面ABCD ,ABCD 为正方形,边长为20 c m ,S 在底面的射影为CD 的中点E ,SE =20 c m ,V SABCD =错误!S ▱ABCD ·SE =错误! c m 3.故选B.]解答此类题目时:<1>可以从熟知的某一视图出发,想象出直观图,再验证其他视图是否正确;<2>视图中标注的长度在直观图中代表什么,要分辨清楚;<3>视图之间的数量关系:正俯长对正,正侧高平齐,侧俯宽相等.例2.如图是某三棱柱被削去一个底面后的直观图与侧<左>视图、俯视图.已知CF =2AD ,侧<左>视图是边长为2的等边三角形;俯视图是直角梯形,有关数据如图所示.求该几何体的体积.解 如图,取CF 的中点P ,过P 作PQ ∥CB 交BE 于Q ,连接PD ,QD ,AD ∥CP ,且AD =CP .四边形ACPD 为平行四边形,∴AC ∥PD .∴平面PDQ ∥平面ABC ,该几何体可分割成三棱柱PDQCAB 和四棱锥DPQEF ,∴V =V 三棱柱PDQCAB +V DPQEF =错误!×22si n 60°×2+错误!×错误!×错误!=3错误!.例3.如图,网格纸上小正方形的边长为1,粗实线画出的是某多面体的三视图,则该多面体的个条棱中,最长的棱的长度为A .62B .42C .6D .4答案:B[课堂小结]几何体的内切球和外接球三视图※巩固提升学习单※1.若一个正三棱柱存在外接球与内切球,则它的外接球与内切球表面积之比为〔〕A. 3 :1 B . 4 :1 C . 5 :1 D. 6 :1[答案]C[解析]设内切球的半径为r,外接球的半径为R,底边边长为a,则222233315,()()6336a r R r a r a a ==+=+=,所以225S R S r==外接球内切球 2.在正四棱锥S -ABCD 中,侧面与底面所成的角为3π,则它的外接球半径R 与内切球半径r 之比为〔 〕 A .5B .32C .10D .52[答案]D3.已知四面体ABCD 中,AB =AD =6,AC =4,CD =13⊥平面ACD,则四面体 ABCD 外接球的表面积为〔〕A .36πB .88πC .92πD .128π[答案]B[解析]试题分析:在ACD ∆中,由64213AD AC CD =,=,=,可得222AD AC CD +=,则AC AD ⊥,又AB ACD ⊥平面,故222246688222R =++==,则24(22)88V ππ==.4.一个几何体的三视图如右图所示,其中正视图和侧视图是腰长为1的两个全等的等腰直角三角形,则该几何体的外接球的表面积...为_________.[解析]由三视图可得,该几何体为一条侧棱垂直于底面的四棱锥,如下图中1C ABCD -,其中底面ABCD 为边长为1的正方形,11C C =由图可知,该四棱锥的外接球球心即该四棱锥所在的正方体的中心,由此可得球半径32R =,所以其表面积为243S R ππ== 5.在正三棱锥S -ABC 中,M 、N 分别是SC 、BC 的中点,且,若侧棱SA=,则正三棱锥 S -ABC 外接球的表面积为______________.[解析]如图,因为,M N 分别是,SC BC 中点,所以//MN SB .而S ABC -是正三棱锥,所以SB AC ⊥,所以MN AC ⊥.因为MN AM ⊥,所以MN ⊥面SAC ,从而可得SB ⊥面SAC ,故90BSA BSC ASB ∠=∠=∠=.将此正三棱锥补成正方体,则它们有相同的外接球.因为侧棱23SA =,所以补成的正方体的边长为23,则它们的外接球半径32332R =⋅=,所以外接球表面积为2436S R ππ==6.已知四面体ABC P -的外接球的球心O 在AB 上,且⊥PO 平面ABC ,AB AC 32=,若四面体AM MN ⊥32正视图 侧视图俯视图ABC P -的体积为23,则该球的体积为___________; [答案]π34[解析] 试题分析:设球的半径为R ,因为球心O 在AB 上,所以O 为AB 的中点,且ABC ∆为直角三角形,因为AB AC 32=,所以2AC AB ==,BC R =,所以31113,3322P ABC ABC V S OP R R R -∆=⨯⨯=⨯⨯⨯=∴=所以该球的体积为34.3R π= 考点:本小题主要考查四面体的内接球的体积计算.点评:解决此小题的关键是分析出ABC ∆是直角三角形,考查学生的空间想象能力和运算求解能力.7.在平行四边ABCD 中,90ABD ∠=︒,2224AB BD +=,若将其沿BD 折成直二面角 A -BD -C,则三棱锥A—BCD 的外接球的体积为_______.[答案]43π [解析]试题分析:因为球心到各定点的距离相等,所以易知该外接球的球心在AC 的中点,又在平行四边ABCD 中,90ABD ∠=︒,所以2222244AB BD AD AB +=⇒+=,而折成直二面角后,222224,2AC AD CD AD AB AC =+=+=∴=,所以该外接球的球半径为1,所以体积为4.3π 考点:本小题主要考查空间几何体的外接球的体积.点评:对于这种折叠问题,要搞清楚折叠前后的量有哪些发生了变化,哪些没有发生变化.8.如图是一个空间几何体的三视图,则该几何体的外接球的表面积为.[答案]8π[解析]试题分析:由三视图可知空间几何体为三棱锥,底面为直角三角形,侧棱垂直于底面,设底面为,90ABC B ∠=,侧棱,SA AB SA AC ⊥⊥所以其外接球球心在SC 中点处,球的半径r =所以表面积248S r ππ==考点:三视图与球的表面积计算点评:先由三视图还原直观图在求其外接球的表面积9.圆台的轴截面面积是Q,母线与下底面成60°角,则圆台的内切球的表面积是〔〕.〔A 〕2Q 〔B 〕23Q 〔C 〕2πQ 〔D 〕23πQ [答案]D10.已知球是棱长为的正方体的内切球,则平面截球的截面面积为.[答案]6π 11.如图,多面体ABCD ­EFG 的底面ABCD 为正方形,FC =GD =2EA ,其俯视图如下,则其正视图和侧视图正O 11111ABCD A B C D -1ACD O确的是<>.解析注意BE,BG在平面CDGF上的投影为实线,且由已知长度关系确定投影位置,排除A,C选项,观察B,D 选项,侧视图是指光线,从几何体的左面向右面正投影,则BG,BF的投影为虚线,故选D.答案D12.如图,在矩形ABCD中,AB=2,BC=3,沿BD将矩形ABCD折叠,连接AC,所得三棱锥A­BCD正视图和俯视图如图,则三棱锥A­BCD侧视图的面积为<>.A.错误!B.错误!C.错误!D.错误!解析由正视图与俯视图可得,在三棱锥A­BCD中,平面ABD⊥平面BCD,该几何体的侧视图是腰长为错误!=错误!的等腰直角三角形,其面积为错误!×错误!错误!=错误!.答案B13.某几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为<>.A.错误!B.错误!C.200 D.240解析由三视图还原的几何体为两底面为等腰梯形的直棱柱,梯形的面积为错误!<2+8>×4=20,所以棱柱的体积为20×10=200.答案C14.某四棱台的三视图如图所示,则该四棱台的体积是<>.A.4 B.错误!C.错误!D.6解析由四棱台的三视图可知该四棱台的上底面是边长为1的正方形,下底面是边长为2的正方形,高为2.由棱台的体积公式可知该四棱台的体积V=错误!<12+错误!+22>×2=错误!,故选B.。

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空间几何体的外接球与内切球一、有关定义1.球的定义:空间中到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫球面,简称球.2.外接球的定义:若一个多面体的各个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.3.内切球的定义: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.二、外接球的有关知识与方法1.性质:性质1:过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;性质2:经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;性质3:过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面(类比:圆的垂径定理);性质4:球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;性质5:在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心(类比:在同圆中,两相交弦的中垂线交点是圆心).初图1初图22.结论:结论1:长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,即长方体的体对角线的中点是球心;结论2:若由长方体切得的多面体的所有顶点是原长方体的顶点,则所得多面体与原长方体的外接球相同;结论3:长方体的外接球直径就是面对角线及与此面垂直的棱构成的直角三角形的外接圆圆心,换言之,就是:底面的一条对角线与一条高(棱)构成的直角三角形的外接圆是大圆;结论4:圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处;结论5:圆柱体轴截面矩形的外接圆是大圆,该矩形的对角线(外接圆直径)是球的直径;结论6:直棱柱的外接球与该棱柱外接圆柱体有相同的外接球;结论7:圆锥体的外接球球心在圆锥的高所在的直线上;结论8:圆锥体轴截面等腰三角形的外接圆是大圆,该三角形的外接圆直径是球的直径;结论9:侧棱相等的棱锥的外接球与该棱锥外接圆锥有相同的外接球.3.终极利器:勾股定理、正定理及余弦定理(解三角形求线段长度);三、内切球的有关知识与方法1.若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直.(与直线切圆的结论有一致性).2.内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(类比:与多边形的内切圆).3.正多面体的内切球和外接球的球心重合.4.正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.5.基本方法:(1)构造三角形利用相似比和勾股定理;(2)体积分割是求内切球半径的通用做法(等体积法).四、与台体相关的,此略.五、八大模型第一讲 柱体背景的模型类型一、墙角模型(三条棱两两垂直,不找球心的位置即可求出球半径)图1-1图1-2图1-3图1-4方法:找三条两两垂直的线段,直接用公式2222)2(c b a R ++=,即2222c b a R ++=,求出R 例1 (1)已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4,体积为16,则这个球的表面积是( C ) A .π16 B .π20 C .π24 D .π32 解: 162==h a V ,2=a ,24164442222=++=++=h a a R ,π24=S ,选C ;(2)若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的表面积是 π9 解:933342=++=R ,ππ942==R S ;(3)在正三棱锥S ABC -中,M N 、分别是棱SC BC 、的中点,且MN AM ⊥,若侧棱SA =,则正三棱锥ABC S -外接球的表面积是 .π36 解:引理:正三棱锥的对棱互相垂直.证明如下:如图(3)-1, 取BC AB ,的中点E D ,,连接CD AE ,,CD AE ,交于H ,连接SH , 则H 是底面正三角形ABC 的中心,∴⊥SH 平面ABC ,∴AB SH ⊥,BC AC =,BD AD =,∴AB CD ⊥,∴⊥AB 平面SCD , ∴SC AB ⊥,同理:SA BC ⊥,SB AC ⊥,即正三棱锥的对棱互垂直,本题图如图(3)-2, MN AM ⊥,MN SB //,∴SB AM ⊥, SB AC ⊥,∴⊥SB 平面SAC , ∴SA SB ⊥,SC SB ⊥, SA SB ⊥,SA BC ⊥, ∴⊥SA 平面SBC ,∴SC SA ⊥,故三棱锥ABC S -的三棱条侧棱两两互相垂直,∴36)32()32()32()2(2222=++=R ,即3642=R ,∴正三棱锥ABC S -外接球的表面积是π36.(3)题-1(引理)AC(3)题-2(解答图)AC(4)在四面体S ABC -中,ABC SA 平面⊥,,1,2,120====∠︒AB AC SA BAC 则该四面体的外接球的表面积为( D )π11.A π7.B π310.C π340.D 解:在ABC ∆中,7120cos 2222=⋅⋅-+=BC AB AB AC BC ,7=BC ,ABC ∆的外接球直径为372237sin 2==∠=BAC BC r ,∴3404)372()2()2(2222=+=+=SA r R ,340π=S ,选D (5)如果三棱锥的三个侧面两两垂直,它们的面积分别为6、4、3,那么它的外接球的表面积是 解:由已知得三条侧棱两两垂直,设三条侧棱长分别为c b a ,,(+∈R c b a ,,),则⎪⎩⎪⎨⎧===6812ac bc ab ,∴24=abc ,∴3=a ,4=b ,2=c ,29)2(2222=++=c b a R ,ππ2942==R S , (6)已知某几何体的三视图如图所示,三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正方形,则该几何体外接球的体积为解:3)2(2222=++=c b a R ,432=R ,23=Rπππ2383334343=⋅==R V 球,类型二、对棱相等模型(补形为长方体) 题设:三棱锥(即四面体)中,已知三组对棱分别相等,求外接球半径(CD AB =,BC AD =,BD AC =) 第一步:画出一个长方体,标出三组互为异面直线的对棱; 第二步:设出长方体的长宽高分别为c b a ,,,x BC AD ==,y CD AB ==,z BD AC ==,列方程组,⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+222222222z a c y c b x b a ⇒2)2(2222222z y x c b a R ++=++=, 补充:图2-1中,abc abc abc V BCD A 31461=⨯-=-. (6)题图(6)题直观图P图2-1第三步:根据墙角模型,22222222z y x c b a R ++=++=,82222z y x R ++=,8222z y x R ++=,求出R .思考:如何求棱长为a 的正四面体体积,如何求其外接球体积?例2(1)如下图所示三棱锥A BCD -,其中5,6,7,AB CD AC BD AD BC ======则该三棱锥外接球的表面积为 .解:对棱相等,补形为长方体,如图2-1,设长宽高分别为c b a ,,,110493625)(2222=++=++c b a ,55222=++c b a ,5542=R ,π55=S(1)题图B(2)在三棱锥BCD A -中,2==CD AB ,3==BC AD ,4==BD AC ,则三棱锥BCD A -外接球的表面积为 .π229 解:如图2-1,设补形为长方体,三个长度为三对面的对角线长,设长宽高分别为c b a ,,,则922=+b a ,422=+c b ,1622=+a c ∴291649)(2222=++=++c b a ,291649)(2222=++=++c b a ,229222=++c b a ,22942=R ,π229=S (3)正四面体的各条棱长都为2,则该正面体外接球的体积为 (3)解答题解:正四面体对棱相等的模式,放入正方体中,32=R ,23=R ,ππ2383334=⋅=V (4)棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上,若过该球球心的一个截面如下图,则图中三角形(正四面体的截面)的面积是 .(4)题解答图(4)题解:如解答图,将正四面体放入正方体中,截面为1PCO ∆,面积是2.类型三、汉堡模型(直棱柱的外接球、圆柱的外接球)图3-1图3-2 图3-3题设:如图3-1,图3-2,图3-3,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)第一步:确定球心O 的位置,1O 是ABC ∆的外心,则⊥1OO 平面ABC ; 第二步:算出小圆1O 的半径r AO =1,h AA OO 212111==(h AA =1也是圆柱的高); 第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)2(r hR +=⇒22)2(hr R +=,解出R例3(1)一个正六棱柱的底面上正六边形,其侧棱垂直于底面,已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上,且该六棱柱的体积为89,底面周长为3,则这个球的体积为 解:设正六边形边长为a ,正六棱柱的高为h ,底面外接圆的半径为r ,则21=a ,正六棱柱的底面积为833)21(4362=⋅⋅=S ,89833===h Sh V 柱,∴3=h ,4)3(14222=+=R 也可1)21()23(222=+=R ),1=R ,球的体积为34π=球V ; (2)直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上,若12AB AC AA ===,120BAC ∠=︒,则此球的表面积等于 .解:32=BC ,4120sin 322==r ,2=r ,5=R ,π20=S ; (3)已知EAB ∆所在的平面与矩形ABCD 所在的平面互相垂直,︒=∠===60,2,3AEB AD EB EA ,则多面体ABCD E -的外接球的表面积为 .π16 解:折叠型,法一:EAB ∆的外接圆半径为31=r ,11=OO ,231=+=R ;法二:231=M O ,21322==D O r ,4413432=+=R ,2=R ,π16=表S ; 法三:补形为直三棱柱,可改变直三棱柱的放置方式为立式,算法可同上,略.换一种方式,通过算圆柱的轴截面的对角线长来求球的直径:162)32()2(222=+=R ,π16=表S ;(4)在直三棱柱111C B A ABC -中,4,3,6,41====AA A AC AB π,则直三棱柱111C B A ABC -的外接球的表面积为 .π3160解:法一:282164236162=⋅⋅⋅-+=BC ,72=BC ,37423722==r ,372=r , 3404328)2(2122=+=+=AA r R ,π3160=表S ;法二:求圆柱的轴截面的对角线长得球直径,此略.第二讲 锥体背景的模型类型四、切瓜模型(两个大小圆面互相垂直且交于小圆直径——正弦定理求大圆直径是通法)图4-1图4-2图4-31.如图4-1,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的三条侧棱相等⇔三棱ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的顶点. 解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);(3)题第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R ;事实上,ACP ∆的外接圆就是大圆,直接用正弦定理也可求解出R .2.如图4-2,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径),且AC PA ⊥,则 利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=3.如图4-3,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径) 21212O O C O OC +=⇔2122O O r R +=⇔2122O O R AC -=4.题设:如图4-4,平面⊥PAC 平面ABC ,且BC AB ⊥(即AC 为小圆的直径)第一步:易知球心O 必是PAC ∆的外心,即PAC ∆的外接圆是大圆,先求出小圆的直径r AC 2=; 第二步:在PAC ∆中,可根据正弦定理R CcB b A a 2sin sin sin ===,求出R . 例4 (1)正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该棱锥的高为1,底面边长为32,则该球的表面积为 . 解:法一:由正弦定理(用大圆求外接球直径);法二:找球心联合勾股定理,72=R ,ππ4942==R S ;(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长和各侧棱长都为2,各顶点都在同一球面上,则此球体积为 解:方法一:找球心的位置,易知1=r ,1=h ,r h =,故球心在正方形的中心ABCD 处,1=R ,34π=V 方法二:大圆是轴截面所的外接圆,即大圆是SAC ∆的外接圆,此处特殊,SAC Rt ∆的斜边是球半径,22=R ,1=R ,34π=V . (3)一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上,则该正三棱锥的体积是( ) A .433 B .33 C .43 D .123解:高1==R h ,底面外接圆的半径为1=R ,直径为22=R ,设底面边长为a ,则260sin 2==aR ,3=a ,433432==a S ,三棱锥的体积为4331==Sh V ; (4)在三棱锥ABC P -中,3===PC PB PA ,侧棱PA 与底面ABC 所成的角为60,则该三棱锥外接球的体积为( ) A .π B.3πC. 4πD.43π解:选D ,由线面角的知识,得ABC ∆的顶点C B A ,,在以23=r 为半径的圆上,在圆锥中求解,1=R ; (5)已知三棱锥S ABC -的所有顶点都在球O 的求面上,ABC ∆是边长为1的正三角形,SC 为球O 的直径,且2SC =,则此棱锥的体积为( )AA.6 BC.3 D.2解:36)33(12221=-=-=r R OO ,362=h ,62362433131=⋅⋅==Sh V 球 类型五、垂面模型(一条直线垂直于一个平面)1.题设:如图5,⊥PA 平面ABC ,求外接球半径.解题步骤:第一步:将ABC ∆画在小圆面上,A 为小圆直径的一个端点,作小圆的直径AD ,连接PD ,则PD 必过球心O ; 第二步:1O 为ABC ∆的外心,所以⊥1OO 平面ABC ,算出小圆1O 的半径r D O =1(三角形的外接圆直径算法:利用正弦定理,得r C c B b A a 2sin sin sin ===),PA OO 211=; 第三步:利用勾股定理求三棱锥的外接球半径:①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=;②2122OO r R +=⇔212OO r R +=.2.题设:如图5-1至5-8这七个图形,P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的 三条侧棱相等⇔三棱锥ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上,顶点P 点也是圆锥的 顶点.图5-1图5-2图5-3图5-4图5-6图5-7图5-8解题步骤:第一步:确定球心O 的位置,取ABC ∆的外心1O ,则1,,O O P 三点共线;第二步:先算出小圆1O 的半径r AO =1,再算出棱锥的高h PO =1(也是圆锥的高);第三步:勾股定理:21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=,解出R方法二:小圆直径参与构造大圆,用正弦定理求大圆直径得球的直径. 例5 一个几何体的三视图如图所示,则该几何体外接球的表面积为( )C A .π3 B .π2 C .316πD .以上都不对解:选C , 法一:(勾股定理)利用球心的位置求球半径,球心在圆锥的高线上,221)3(R R =+-,32=R ,ππ31642==R S ;法二:(大圆法求外接球直径)如图,球心在圆锥的高线上,故圆锥的轴截面三角形PMN 的外接圆是大圆,于是3460sin 22==R ,下略;第三讲 二面角背景的模型类型六、折叠模型题设:两个全等三角形或等腰三角形拼在一起,或菱形折叠(如图6)俯视图侧视图正视图解答图图6第一步:先画出如图6所示的图形,将BCD ∆画在小圆上,找出BCD ∆和BD A '∆的外心1H 和2H ; 第二步:过1H 和2H 分别作平面BCD 和平面BD A '的垂线,两垂线的交点即为球心O ,连接OC OE ,; 第三步:解1OEH ∆,算出1OH ,在1OCH Rt ∆中,勾股定理:22121OC CH OH =+ 注:易知21,,,H E H O 四点共面且四点共圆,证略.例6(1)三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 和△ABC 均为边长为2的正三角形,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 . 解:如图,3460sin 22221===r r ,3221==r r ,312=H O , 35343121222=+=+=r H O R ,315=R ; 法二:312=H O ,311=H O ,1=AH , 352121222=++==O O H O AH AO R ,315=R ; (2)在直角梯形ABCD 中,CD AB //, 90=∠A ,45=∠C ,1==AD AB ,沿对角线BD 折成四面体BCD A -',使平面⊥'BD A 平面BCD ,若四面体BCD A -'的顶点在同一个球面上,则该项球的表面积为 π4(2)题-2(2)题-1→A(3)题解:如图,易知球心在BC的中点处,π4=表S ;(1)题(3)在四面体ABC S -中,BC AB ⊥,2==BC AB ,二面角B AC S --的余弦值为33-,则四面体ABC S -的外接球表面积为 π6 解:如图,法一:33)2cos(cos 211-=+∠=∠πO OO B SO , 33sin 21=∠O OO ,36cos 21=∠O OO ,22cos 21211=∠=O OO O O OO ,232112=+=R ,ππ642==R S ; 法二:延长1BO 到D 使111r BO DO ==,由余弦定理得6=SB ,2=SD ,大圆直径为62==SB R ;(4)在边长为32的菱形ABCD 中, 60=∠BAD ,沿对角线BD 折成二面角C BD A --为120的四面体ABCD ,则此四面体的外接球表面积为 π28解:如图,取BD 的中点M ,ABD ∆和CBD ∆的外接圆半径为221==r r ,ABD ∆和CBD ∆的外心21,O O 到弦BD 的距离(弦心距)为121==d d , 法一:四边形21MO OO 的外接圆直径2=OM ,7=R ,π28=S ;法二:31=OO ,7=R ;法三:作出CBD ∆的外接圆直径CE ,则3==CM AM , 4=CE ,1=ME ,7=AE ,33=AC ,72147227167cos -=⋅⋅-+=∠AEC ,7233sin =∠AEC ,72723333sin 2==∠=AEC AC R ,7=R ;(5)在四棱锥ABCD 中, 120=∠BDA ,150=∠BDC ,2==BD AD ,3=CD ,二面角CBD A --(4)题图的平面角的大小为120,则此四面体的外接球的体积为 解:如图,过两小圆圆心作相应小圆所在平面的垂线确定球心,→抽象化(5)题解答图-2(5)题解答图-11B32=AB ,22=r ,弦心距32=M O ,13=BC ,131=r ,弦心距321=M O , ∴2121=O O ,72120sin 21==O O OM , 法一:∴292222=+==OM MD OD R ,29=R ,∴329116π=球V ; 法二:2522222=-=M O OM OO ,∴29222222=+==OO r OD R ,29=R ,∴329116π=球V . 类型七、两直角三角形拼接在一起(斜边相同,也可看作矩形沿对角线折起所得三棱锥)模型图7题设:如图7,90=∠=∠ACB APB ,求三棱锥ABC P -外接球半径(分析:取公共的斜边的中点O ,连接OC OP ,,则AB OP OC OB OA 21====,∴O 为三棱锥ABC P -外接球球心,然后在OCP 中求出半径),当看作矩形沿对角线折起所得三棱锥时与折起成的二面角大小无关,只要不是平角球半径都为定值.例7(1)在矩形ABCD 中,4=AB ,3=BC ,沿AC 将矩形ABCD 折成一个直二面角D AC B --,则四面体ABCD 的外接球的体积为( )A .π12125 B .π9125 C .π6125 D .π3125解:(1)52==AC R ,25=R ,6125812534343πππ=⋅==R V ,选C(2)在矩形ABCD 中,2=AB ,3=BC ,沿BD 将矩形ABCD 折叠,连接AC ,所得三棱锥BCDA -的外接球的表面积为 .解:BD 的中点是球心O ,132==BD R ,ππ1342==R S .第四讲 多面体的内切球问题模型类型八、锥体的内切球问题1.题设:如图8-1,三棱锥ABC P -上正三棱锥,求其内切球的半径. 第一步:先现出内切球的截面图,H E ,分别是两个三角形的外心;第二步:求BD DH 31=,r PH PO -=,PD 是侧面ABP ∆的高; 第三步:由POE ∆相似于PDH ∆,建立等式:PDPODH OE =,解出r 2.题设:如图8-2,四棱锥ABC P -是正四棱锥,求其内切球的半径第一步:先现出内切球的截面图,H O P ,,三点共线;第二步:求BC FH 21=,r PH PO -=,PF 是侧面PCD ∆的高;第三步:由POG ∆相似于PFH ∆,建立等式:PFPOHF OG =,解出3.题设:三棱锥ABC P -是任意三棱锥,求其的内切球半径方法:等体积法,即内切球球心与四个面构成的四个三棱锥的体积之和相等 第一步:先画出四个表面的面积和整个锥体体积;第二步:设内切球的半径为r ,建立等式:PBC O PAC O PAB O ABC O ABC P V V V V V -----+++=⇒r S S S S r S r S r S r S V PBC PAC PAB ABC PBC PAC PAB ABC ABC P ⋅+++=⋅+⋅+⋅+⋅=∆∆∆∆-)(3131313131第三步:解出PBCO PAC O PAB O ABC O ABCP S S S S V r -----+++=3例8 (1)棱长为a 的正四面体的内切球表面积是 62a π,解:设正四面体内切球的半径为r ,将正四面体放入棱长为2a的正方体中(即补形为正方体),如图,则 2622313133aa V V ABC P =⋅==-正方体,又 r a r a Sr V ABC P 223343314314=⋅⋅⋅=⋅=-, ∴263332a r a =,62a r =,∴内切球的表面积为(1)题D图8-1A图8-26422a r S ππ==表(注:还有别的方法,此略)(2)正四棱锥ABCD S -的底面边长为2,侧棱长为37解:如图,正四棱锥ABCD S -的高7=h ,正四棱锥ABCD S -的体积为374=-ABCD S V 侧面斜高221=h ,正四棱锥ABCD S -的表面积为284+=表S ,正四棱锥ABCD S -的体积为r r S V ABCDS ⋅+==-328431表, ∴3743284=⋅+r , 771427)122(7221728474-=-=+=+=r (3)三棱锥ABC P -中,底面ABC ∆是边长为2的正三角形,⊥PA 底面ABC ,2=PA ,则32解:如图,3=∆ABC S ,2==∆∆ACP ABP S S ,7=∆BCP S ,743++=表S ,三棱锥ABC P -的体积为332=-ABC P V , 另一表达体积的方式是r r S V ABC P ⋅++==-347331表, ∴3323473=⋅++r ,∴47332++=r习题: 1.若三棱锥ABC S -的三条侧棱两两垂直,且2=SA ,4==SC SB ,则该三棱锥的外接球半径为( ) A.3 B.6 C.36 D.9 解:【A 】616164)2(2=++=R ,3=R【三棱锥有一侧棱垂直于底面,且底面是直角三角形】【共两种】2. 三棱锥ABC S -中,侧棱⊥SA 平面ABC ,底面ABC 是边长为3的正三角形,32=SA ,则该三棱锥的外接球体积等于 .332π(2)题(3)题B解:260sin 32==r ,16124)2(2=+=R ,42=R ,2=R ,外接球体积332834ππ=⋅ 【外心法(加中垂线)找球心;正弦定理求球小圆半径】3.正三棱锥ABC S -中,底面ABC 是边长为3的正三角形,侧棱长为2,则该三棱锥的外接球体积等于 .解:ABC ∆外接圆的半径为 ,三棱锥ABC S -的直径为3460sin 22==R ,外接球半径32=R ,或1)3(22+-=R R ,32=R ,外接球体积2733233834343πππ=⋅==R V , 4.三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,△PAC 边长为2的正三角形,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .解:PAC ∆的外接圆是大圆,3460sin 22==R ,32=R , 5. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,3==PC PA ,BC AB ⊥,则三棱锥ABC P -外接球的半径为 .解:973324992cos 222=⋅⋅-+=⋅-+=∠PC PA AC PC PA P ,81216)97(1sin 22⋅=-=∠P ,924sin =∠P ,42922992422===R ,829=R 6. 三棱锥ABC P -中,平面⊥PAC 平面ABC ,2=AC ,PC PA ⊥,BC AB ⊥,则三棱锥ABCP -外接球的半径为 .解:AC 是公共的斜边,AC 的中点是球心O ,球半径为1=R。

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