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2023版步步高新高考人教A版一轮复习讲义第七章 §7.2 球的切、接问题 培优课
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§7.2 球的切、接问题题型一 定义法例1 (1)已知∠ABC=90°,PA⊥平面ABC,若PA=AB=BC=1,则四面体PABC的外接球(顶点都在球面上)的体积为( )A.π B.eq \r(3)π C.2π D.eq \f(\r(3)π,2)答案 D解析 如图,取PC的中点O,连接OA,OB,由题意得PA⊥BC,又因为AB⊥BC,PA∩AB=A,PA,AB⊂平面PAB,所以BC⊥平面PAB,所以BC⊥PB,在Rt△PBC中,OB=eq \f(1,2)PC,同理OA=eq \f(1,2)PC,所以OA=OB=OC=eq \f(1,2)PC,因此P,A,B,C四点在以O为球心的球面上,在Rt△ABC中,AC=eq \r(AB2+BC2)=eq \r(2).在Rt△PAC中,PC=eq \r(PA2+AC2)=eq \r(3),球O的半径R=eq \f(1,2)PC=eq \f(\r(3),2),所以球的体积为eq \f(4,3)πeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2)))3=eq \f(\r(3)π,2).延伸探究 本例(1)条件不变,则四面体P-ABC的内切球的半径为________.答案 eq \f(\r(2)-1,2)解析 设四面体P-ABC的内切球半径为r.由本例(1)知,S△PAC=eq \f(1,2)PA·AC=eq \f(1,2)×1×eq \r(2)=eq \f(\r(2),2),S△PAB=eq \f(1,2)PA·AB=eq \f(1,2)×1×1=eq \f(1,2),S△ABC=eq \f(1,2)AB·BC=eq \f(1,2)×1×1=eq \f(1,2),S△PBC=eq \f(1,2)PB·BC=eq \f(1,2)×eq \r(2)×1=eq \f(\r(2),2),VP-ABC=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)AB·BC·PA=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)×1×1×1=eq \f(1,6),VP-ABC=eq \f(1,3)(S△PAC+S△PAB+S△ABC+S△PBC)·r=eq \f(1,3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)+\f(1,2)+\f(1,2)+\f(\r(2),2)))·r=eq \f(1,6),∴r=eq \f(\r(2)-1,2).(2)在矩形ABCD中,BC=4,M为BC的中点,将△ABM和△DCM分别沿AM,DM翻折,使点B与点C重合于点P,若∠APD=150°,则三棱锥M-PAD的外接球的表面积为( )A.12π B.34πC.68π D.126π答案 C解析 如图,由题意可知,MP⊥PA,MP⊥PD.且PA∩PD=P,PA⊂平面PAD,PD⊂平面PAD,所以MP⊥平面PAD.设△ADP的外接圆的半径为r,则由正弦定理可得eq \f(AD,sin∠APD)=2r,即eq \f(4,sin 150°)=2r,所以r=4.设三棱锥M-PAD的外接球的半径为R,则(2R)2=PM2+(2r)2,即(2R)2=4+64=68,所以4R2=68,所以外接球的表面积为4πR2=68π.思维升华 到各个顶点距离均相等的点为外接球的球心,借助有特殊性底面的外接圆圆心,找其垂线,则球心一定在垂线上,再根据到其他顶点距离也是半径,列关系式求解即可.跟踪训练1 (1)一个六棱柱的底面是正六边形,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eq \f(9,8),底面周长为3,则这个球的体积为________.答案 eq \f(4π,3)解析 设正六棱柱的底面边长为x,高为h,则有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(6x=3,,\f(9,8)=6×\f(\r(3),4)x2h,))∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=\f(1,2),,h=\r(3).))∴正六棱柱的底面外接圆的半径r=eq \f(1,2),球心到底面的距离d=eq \f(\r(3),2).∴外接球的半径R=eq \r(r2+d2)=1.∴V球=eq \f(4π,3).(2)(2022·哈尔滨模拟)已知四棱锥P-ABCD的底面ABCD是矩形,其中AD=1,AB=2,平面PAD⊥平面ABCD,△PAD为等边三角形,则四棱锥P-ABCD的外接球表面积为( )A.eq \f(16π,3) B.eq \f(76π,3) C.eq \f(64π,3) D.eq \f(19π,3)答案 A解析 如图所示,在四棱锥P-ABCD中,平面PAD⊥平面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,PA=PD,取AD的中点E,则PE⊥AD,PE⊥平面ABCD,则PE⊥AB,由AD⊥AB,AD∩PE=E,AD,PE⊂平面PAD,可知AB⊥平面PAD,由△PAD为等边三角形,E为AD的中点知,PE的三等分点F(距离E较近的三等分点)是三角形的中心,过F作平面PAD的垂线,过矩形ABCD的中心O作平面ABCD的垂线,两垂线交于点I,则I即外接球的球心.OI=EF=eq \f(1,3)PE=eq \f(1,3)×eq \f(\r(3),2)=eq \f(\r(3),6),AO=eq \f(1,2)AC=eq \f(\r(5),2),设外接球半径为R,则R2=AI2=AO2+OI2=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(5),2)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),6)))2=eq \f(4,3),所以四棱锥P-ABCD的外接球表面积为S=4πR2=4π×eq \f(4,3)=eq \f(16π,3).题型二 补形法例2 (1)在四面体ABCD中,若AB=CD=eq \r(3),AC=BD=2,AD=BC=eq \r(5),则四面体ABCD的外接球的表面积为( )A.2π B.4π C.6π D.8π答案 C解析 由题意可采用补形法,考虑到四面体ABCD的对棱相等,所以将四面体放入一个长、宽、高分别为x,y,z的长方体,并且x2+y2=3,x2+z2=5,y2+z2=4,则有(2R)2=x2+y2+z2=6(R为外接球的半径),得2R2=3,所以外接球的表面积为S=4πR2=6π.(2)(2022·重庆实验外国语学校月考)如图,在多面体中,四边形ABCD为矩形,CE⊥平面ABCD,AB=2,BC=CE=1,通过添加一个三棱锥可以将该多面体补成一个直三棱柱,那么添加的三棱锥的体积为________,补形后的直三棱柱的外接球的表面积为________.答案 eq \f(1,3) 6π解析 如图添加的三棱锥为直三棱锥E-ADF,可以将该多面体补成一个直三棱柱ADF-BCE,因为CE⊥平面ABCD,AB=2,BC=CE=1,所以S△CBE=eq \f(1,2)CE×BC=eq \f(1,2)×1×1=eq \f(1,2),直三棱柱ADF-BCE的体积为V=S△EBC·DC=eq \f(1,2)×2=1,添加的三棱锥的体积为eq \f(1,3)V=eq \f(1,3);如图,分别取AF,BE的中点M,N,连接MN,与AE交于点O,因为四边形AFEB为矩形,所以O为AE,MN的中点,在直三棱柱ADF-BCE中,CE⊥平面ABCD,FD⊥平面ABCD,即∠ECB=∠FDA=90°,所以上、下底面为等腰直角三角形,直三棱柱的外接球的球心即为点O,连接DO,DO即为球的半径,连接DM,因为DM=eq \f(1,2)AF=eq \f(\r(2),2),MO=1,所以DO2=DM2+MO2=eq \f(1,2)+1=eq \f(3,2),所以外接球的表面积为4π·DO2=6π.思维升华 (1)补形法的解题策略①侧面为直角三角形,或正四面体,或对棱均相等的模型,可以还原到正方体或长方体中去求解;②直三棱锥补成三棱柱求解.(2)正方体与球的切、接常用结论正方体的棱长为a,球的半径为R,①若球为正方体的外接球,则2R=eq \r(3)a;②若球为正方体的内切球,则2R=a;③若球与正方体的各棱相切,则2R=eq \r(2)a.(3)长方体的共顶点的三条棱长分别为a,b,c,外接球的半径为R,则2R=eq \r(a2+b2+c2).跟踪训练2 已知三棱锥P-ABC中,PA,PB,PC两两垂直,且PA=1,PB=2,PC=3,则三棱锥P-ABC的外接球的表面积为( )A.eq \f(7\r(14),3)π B.14π C.56π D.eq \r(14)π答案 B解析 以线段PA,PB,PC为相邻三条棱的长方体PAB′B-CA′P′C′被平面ABC所截的三棱锥P-ABC符合要求,如图,长方体PAB′B-CA′P′C′与三棱锥P-ABC有相同的外接球,其外接球直径为长方体体对角线PP′,设外接球的半径为R,则(2R)2=PP′2=PA2+PB2+PC2=12+22+32=14,则所求表面积S=4πR2=π·(2R)2=14π.题型三 截面法例3 (1)(2021·全国甲卷)已知A,B,C是半径为1的球O的球面上的三个点,且AC⊥BC,AC=BC=1,则三棱锥O-ABC的体积为( )A.eq \f(\r(2),12) B.eq \f(\r(3),12) C.eq \f(\r(2),4) D.eq \f(\r(3),4)答案 A解析 如图所示,因为AC⊥BC,所以AB为截面圆O1的直径,且AB=eq \r(2).连接OO1,则OO1⊥平面ABC,OO1=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(AB,2)))2)=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))2)=eq \f(\r(2),2),所以三棱锥O-ABC的体积V=eq \f(1,3)S△ABC×OO1=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)×1×1×eq \f(\r(2),2)=eq \f(\r(2),12).(2)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________.答案 eq \f(\r(2),3)π解析 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=PB=3,D为AB的中点,AB=2,E为切点,则PD=2eq \r(2),△PEO∽△PDB,故eq \f(PO,PB)=eq \f(OE,DB),即eq \f(2\r(2)-r,3)=eq \f(r,1),解得r=eq \f(\r(2),2),故内切球的体积为eq \f(4,3)πeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))3=eq \f(\r(2),3)π.思维升华 (1)与球截面有关的解题策略①定球心:如果是内切球,球心到切点的距离相等且为半径;如果是外接球,球心到接点的距离相等且为半径;②作截面:选准最佳角度作出截面,达到空间问题平面化的目的.(2)正四面体的外接球的半径R=eq \f(\r(6),4)a,内切球的半径r=eq \f(\r(6),12)a,其半径R∶r=3∶1(a为该正四面体的棱长).跟踪训练3 (1)(2022·成都模拟)已知圆柱的两个底面的圆周在体积为eq \f(32π,3)的球O的球面上,则该圆柱的侧面积的最大值为( )A.4π B.8π C.12π D.16π答案 B解析 如图所示,设球O的半径为R,由球的体积公式得eq \f(4,3)πR3=eq \f(32π,3),解得R=2.设圆柱的上底面半径为r,球的半径与上底面夹角为α,则r=2cos α,圆柱的高为4sin α,∴圆柱的侧面积为4πcos α×4sin α=8πsin 2α,当且仅当α=eq \f(π,4),sin 2α=1时,圆柱的侧面积最大,∴圆柱的侧面积的最大值为8π.(2)(2022·长沙检测)在封闭的直三棱柱ABC-A1B1C1内有一个体积为V的球.若AB⊥BC,AB=6,BC=8,AA1=3,则V的最大值是________.答案 eq \f(9π,2)解析 易知AC=10.设△ABC的内切圆的半径为r,则eq \f(1,2)×6×8=eq \f(1,2)×(6+8+10)·r,所以r=2.因为2r=4>3,所以最大球的直径2R=3,即R=eq \f(3,2),此时球的体积V=eq \f(4,3)πR3=eq \f(9π,2).课时精练1.正方体的外接球与内切球的表面积之比为( )A.eq \r(3) B.3eq \r(3)C.3 D.eq \f(1,3)答案 C解析 设正方体的外接球的半径为R,内切球的半径为r,棱长为1,则正方体的外接球的直径为正方体的体对角线长,即2R=eq \r(3),所以R=eq \f(\r(3),2),正方体内切球的直径为正方体的棱长,即2r=1,即r=eq \f(1,2),所以eq \f(R,r)=eq \r(3),正方体的外接球与内切球的表面积之比为eq \f(4πR2,4πr2)=eq \f(R2,r2)=3.2.(2022·开封模拟)已知一个圆锥的母线长为2eq \r(6),侧面展开图是圆心角为eq \f(2\r(3)π,3)的扇形,则该圆锥的外接球的体积为( )A.36π B.48πC.36 D.24eq \r(2)答案 A解析 设圆锥的底面半径为r,由侧面展开图是圆心角为eq \f(2\r(3)π,3)的扇形,得2πr=eq \f(2\r(3)π,3)×2eq \r(6),解得r=2eq \r(2).作出圆锥的轴截面如图所示.设圆锥的高为h,则h=eq \r(2\r(6)2-2\r(2)2)=4.设该圆锥的外接球的球心为O,半径为R,则有R=eq \r(h-R2+r2),即R=eq \r(4-R2+2\r(2)2),解得R=3,所以该圆锥的外接球的体积为eq \f(4πR3,3)=eq \f(4π×33,3)=36π.3.已知各顶点都在一个球面上的正四棱锥的高为3,体积为6,则这个球的表面积为( )A.16π B.20πC.24π D.32π答案 A解析 如图所示,在正四棱锥P-ABCD中,O1为底面对角线的交点,O为外接球的球心.VP-ABCD=eq \f(1,3)×S正方形ABCD×3=6,所以S正方形ABCD=6,即AB=eq \r(6).因为O1C=eq \f(1,2)eq \r(6+6)=eq \r(3).设正四棱锥外接球的半径为R,则OC=R,OO1=3-R,所以(3-R)2+(eq \r(3))2=R2,解得R=2.所以外接球的表面积为4π×22=16π.4.已知棱长为1的正四面体的四个顶点都在一个球面上,则这个球的体积为( )A.eq \f(\r(6),8)π B.eq \f(\r(6),4)π C.eq \f(\r(3),8)π D.eq \f(\r(3),4)π答案 A解析 如图将棱长为1的正四面体B1-ACD1放入正方体ABCD-A1B1C1D1中,且正方体的棱长为1×cos 45°=eq \f(\r(2),2),所以正方体的体对角线AC1=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))2)=eq \f(\r(6),2),所以正方体外接球的直径2R=AC1=eq \f(\r(6),2),所以正方体外接球的体积为eq \f(4,3)πR3=eq \f(4,3)π×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(6),4)))3=eq \f(\r(6),8)π,因为正四面体的外接球即为正方体的外接球,所以正四面体的外接球的体积为eq \f(\r(6),8)π.5.(2021·天津)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eq \f(32π,3),两个圆锥的高之比为1∶3,则这两个圆锥的体积之和为( )A.3π B.4π C.9π D.12π答案 B解析 如图所示,设两个圆锥的底面圆圆心为点D,设圆锥AD和圆锥BD的高之比为3∶1,即AD=3BD,设球的半径为R,则eq \f(4πR3,3)=eq \f(32π,3),可得R=2,所以AB=AD+BD=4BD=4,所以BD=1,AD=3,因为CD⊥AB,AB为球的直径,所以△ACD∽△CBD,所以eq \f(AD,CD)=eq \f(CD,BD),所以CD=eq \r(AD·BD)=eq \r(3),因此,这两个圆锥的体积之和为eq \f(1,3)π×CD2·(AD+BD)=eq \f(1,3)π×3×4=4π.6.(2022·蚌埠模拟)粽子,古时北方也称“角黍”,是由粽叶包裹糯米、泰米等馅料蒸煮制成的食品,是中国汉族传统节庆食物之一,端午食粽的风俗,千百年来在中国盛行不衰,粽子形状多样,馅料种类繁多,南北方风味各有不同,某四角蛋黄粽可近似看成一个正四面体,蛋黄近似看成一个球体,且每个粽子里仅包裹一个蛋黄,若粽子的棱长为9 cm,则其内可包裹的蛋黄的最大体积约为(参考数据:eq \r(6)≈2.45,π≈3.14)( )A.20 cm3 B.22 cm3C.26 cm3 D.30 cm3答案 C解析 如图,正四面体ABCD,其内切球O与底面ABC切于O1,设正四面体棱长为a,内切球半径为r,连接BO1并延长交AC于F,易知O1为△ABC的中心,点F为边AC的中点.易得BF=eq \f(\r(3),2)a,则S△ABC=eq \f(\r(3),4)a2,BO1=eq \f(2,3)BF=eq \f(\r(3),3)a,∴DO1=eq \r(BD2-BO\o\al(2,1))=eq \f(\r(6),3)a,∴VD-ABC=eq \f(1,3)·S△ABC·DO1=eq \f(\r(2),12)a3,∵VD-ABC=VO-ABC+VO-BCD+VO-ABD+VO-ACD=4VO-ABC=4×eq \f(1,3)×eq \f(\r(3),4)a2·r=eq \f(\r(3),3)a2r,∴eq \f(\r(3),3)a2r=eq \f(\r(2),12)a3⇒r=eq \f(\r(6),12)a,∴球O的体积V=eq \f(4,3)π·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(6),12)a))3=eq \f(4,3)π·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(6),12)×9))3=eq \f(27\r(6),8)π≈eq \f(27,8)×2.45×3.14≈26(cm3).7.(多选)已知三棱锥P-ABC的四个顶点都在球O的表面上,PA⊥平面ABC,PA=6,AB⊥AC,AB=2,AC=2eq \r(3),点D为AB的中点,过点D作球的截面,则截面的面积可以是( )A.eq \f(π,2) B.π C.9π D.13π答案 BCD解析 三棱锥P-ABC的外接球即为以AB,AC,AP为邻边的长方体的外接球,∴2R=eq \r(62+22+2\r(3)2)=2eq \r(13),∴R=eq \r(13),取BC的中点O1,∴O1为△ABC的外接圆圆心,∴OO1⊥平面ABC,如图.当OD⊥截面时,截面的面积最小,∵OD=eq \r(OO\o\al(2,1)+O1D2)=eq \r(32+\r(3)2)=2eq \r(3),此时截面圆的半径为r=eq \r(R2-OD2)=1,∴截面面积为πr2=π,当截面过球心时,截面圆的面积最大为πR2=13π,故截面面积的取值范围是[π,13π].8.(多选)已知正方体的外接球与内切球上各有一个动点M,N,若线段MN的最小值为eq \r(3)-1,则下列说法中正确的是( )A.正方体的外接球的表面积为12πB.正方体的内切球的体积为eq \f(4π,3)C.正方体的棱长为2D.线段MN的最大值为2eq \r(3)答案 ABC解析 设正方体的棱长为a,则正方体外接球的半径为体对角线长的一半,即eq \f(\r(3),2)a;内切球的半径为棱长的一半,即eq \f(a,2).∵M,N分别为外接球和内切球上的动点,∴MNmin=eq \f(\r(3),2)a-eq \f(a,2)=eq \f(\r(3)-1,2)a=eq \r(3)-1,解得a=2,即正方体的棱长为2,∴正方体外接球的表面积为4π×(eq \r(3))2=12π,内切球体积为eq \f(4π,3),则A,B,C正确;线段MN的最大值为eq \r(3)+1,则D错误.9.已知三棱锥S-ABC的三条侧棱两两垂直,且SA=1,SB=SC=2,则三棱锥S-ABC的外接球的半径是________.答案 eq \f(3,2)解析 如图所示,将三棱锥补为长方体,则该棱锥的外接球直径为长方体的体对角线,设外接球半径为R,则(2R)2=12+22+22=9,∴4R2=9,R=eq \f(3,2).即这个外接球的半径是eq \f(3,2).10.已知正三棱锥的高为1,底面边长为2eq \r(3),内有一个球与四个面都相切,则正三棱锥的内切球的半径为________.答案 eq \r(2)-1解析 如图,过点P作PD⊥平面ABC于点D,连接AD并延长交BC于点E,连接PE.因为△ABC是正三角形,所以AE是BC边上的高和中线,D为△ABC的中心.因为AB=BC=2eq \r(3),所以S△ABC=3eq \r(3),DE=1,PE=eq \r(2).所以S三棱锥表=3×eq \f(1,2)×2eq \r(3)×eq \r(2)+3eq \r(3)=3eq \r(6)+3eq \r(3).因为PD=1,所以三棱锥的体积V=eq \f(1,3)×3eq \r(3)×1=eq \r(3).设球的半径为r,以球心O为顶点,三棱锥的四个面为底面,把正三棱锥分割为四个小三棱锥,由eq \f(1,3)S三棱锥表·r=eq \r(3),得r=eq \f(3\r(3),3\r(6)+3\r(3))=eq \r(2)-1.11.等腰三角形ABC的腰AB=AC=5,BC=6,将它沿高AD翻折,使二面角B-AD-C成60°,此时四面体ABCD外接球的体积为________.答案 eq \f(28\r(7),3)π解析 由题意,设△BCD所在的小圆为O1,半径为r,又因为二面角B-AD-C为60°,即∠BDC=60°,所以△BCD为边长为3的等边三角形,由正弦定理可得,2r=eq \f(3,sin 60°)=2eq \r(3),即DE=2eq \r(3),设外接球的半径为R,且AD=4,在Rt△ADE中,(2R)2=AD2+DE2⇒4R2=42+(2eq \r(3))2=28,所以R=eq \r(7),所以外接球的体积为V=eq \f(4,3)πR3=eq \f(4,3)π×(eq \r(7))3=eq \f(28\r(7),3)π.12.已知直三棱柱ABC-A1B1C1的6个顶点都在球O的表面上,若AB=AC=1,AA1=2eq \r(3),∠BAC=eq \f(2π,3),则球O的体积为________.答案 eq \f(32π,3)解析 设△ABC的外接圆圆心为O1,半径为r,连接O1O,如图,易得O1O⊥平面ABC,∵AB=AC=1,AA1=2eq \r(3),∠BAC=eq \f(2π,3),∴2r=eq \f(AB,sin∠ACB)=eq \f(1,\f(1,2))=2,即O1A=1,O1O=eq \f(1,2)AA1=eq \r(3),∴OA=eq \r(O1O2+O1A2)=eq \r(3+1)=2,即直三棱柱ABC-A1B1C1的外接球半径R=2,∴V球=eq \f(4,3)π×23=eq \f(32π,3).
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