数学研究课题空间几何体的外接球与内切球问题

高中数学课题研究

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1111ABCD A B C D -，设正方体的棱长为a ，,,,E F H G 为棱的中点，O 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EFGH 和其内切圆，则2

a OJ r ==；二

是与正方体各棱相切的球，截面图为正方形EFGH 和其外接圆，则GO R a ==；三是球为正方体的

外接球，截面图为长方形11ACA C 和其外接圆，则12

A O R '==.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a ，球的半径为r ，这时有2r a =.?

（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a ，球的半径为r ，这时有2r =.

（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a ，球的半径为r ，这时有2r =.

例 1 棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -的8个顶点都在球O 的表面上，E F ，分别是棱1AA ，1DD 的中点，则直线EF 被球O 截得的线段长为（ ）

A ．2

B ．1

C ．12+ D

思路分析：由题意推出，球为正方体的外接球.平面11AA DD 截面所得圆面的半径1,22

AD R =

=得知直线EF 被球O 截得的线段就是球的截面圆的直径.

【解析】由题意可知，球为正方体的外接球.平面11AA DD 截面所得圆面的半径

1

22

AD R ==11EF AA DD ⊂Q 面，∴直线EF 被球O 截得的线段为球的截面圆的直径2R = 点评：本题考查球与正方体“接”的问题，利用球的截面性质，转化成为求球的截面圆直径.

1.2 球与长方体

例 2自半径为R 的球面上一点M ，引球的三条两两垂直的弦MC MB MA ,,，求2

22MC MB MA ++的值． 思路分析：此题欲计算所求值，应首先把它们放在一个封闭的图形内进行计算，所以应引导学生构造熟悉的几何体并与球有密切的关系，便于将球的条件与之相联．

【解析】以MC MB MA ,,为从一个顶点出发的三条棱，将三棱锥ABC M -补成一个长方体，则另外四个顶点必在球面上，故长方体是球的内接长方体，则长方体的对角线长是球的直径． ∴222MC MB MA ++=224)2(R R =．

点评：此题突出构造法的使用，以及渗透利用分割补形的方法解决立体几何中体积计算．.

例 3已知各顶点都在一个球面上的正四棱柱高为4，体积为16，则这个球的表面积为（ ）.

A.16π

B.20π

C.24π

D.32π

思路分析：正四棱柱也是长方体.由长方体的体积16及高4可以求出长方体的底面边长为2，可得长方体的长、宽、高分别为2，2，4，长方体内接于球，它的体对角线正好为球的直径.

【解析】正四棱柱也是长方体。由长方体的体积16及高4可以求出长方体的底面边长为2，因此，长方体的长、宽、高分别为2，2，4，因为长方体内接于球，所以它的体对角线正好为球的直径.长方体体对角线

长为，故球的表面积为24π.故选C.

点评：本题考查球与长方体“接”的问题，利用长方体的性质，转化成为求其体对角线.

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a ，高为h ；球的半径为R ，这时有4R h a ==

；（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a ，高为h ；球的半径为R ，这时有43R h ==

；（可用正四面体高h 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a ，高为h ；球的半径为R ，这时有4,.3

R h a ===? 例 4设正四面体中，第一个球是它的内切球，第二个球是它的外接球，求这两个球的表面积之比及体积之比．

思路分析：此题求解的第一个关键是搞清两个球的半径与正四面体的关系，第二个关键是两个球的半径之间的关系，依靠体积分割的方法来解决的．

【解析】如图，正四面体ABCD 的中心为O ，BCD ∆的中心为1O ，则第一个球半径为正四面体的中心到各面的距离，第二个球的半径为正四面体中心到顶点的距离．

设R OA r OO ==,1，正四面体的一个面的面积为S ． 依题意得)(31r R S V BCD A +=-， 又S r V V BCD O BCD A ⋅⨯==--3

144 r r R 4=+∴即r R 3=．