立体几何外接球及内切球问题.docxVIP

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PAGE 13 / NUMPAGES 13 立体几何外接球及内切球问题 一、球与柱体 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1所示,正方体,设正方体的棱长为,为棱的中点,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,截面图为正方形和其内切圆,则; 二是与正方体各棱相切的球,截面图为正方形和其外接圆,则; 三是球为正方体的外接球,截面图为长方形和其外接圆,则. 例 1: 棱长为1的正方体的8个顶点都在球的表面上,分别是棱,的中点,则直线被球截得的线段长为( ) A. B. C. D. 1.2 球与长方体 长方体各顶点可在一个球面上,故长方体存在外切球.但是不一定存在内切球.设长方体的棱长为其体对角线为.当球为长方体的外接球时,截面图为长方体的对角面和其外接圆,和正方体的外接球的道理是一样的,故球的半径 例 2 在长、宽、高分别为2,2,4的长方体内有一个半径为1的球,任意摆动此长方体,则球经过的空间部分的体积为( ) A.eq \f(10π,3) B.4π C.eq \f(8π,3) D.eq \f(7π,3) 1.3球与正棱柱: ①结论: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球与一般的正棱柱的组合体,常以外接形态居多. 本类题目的解法:构造直角三角形法:设正三棱柱的高为,底面边长为; 如图2所示,和分别为上下底面的中心。根据几何体的特点,球心必落在高的中点,,借助直角三角形的勾股定理,可求。 (注:底面三角形不是特殊三角形时:可利用正弦定理得到三角形外接圆半径) 例3 :正四棱柱的各顶点都在半径为的球面上,则正四棱柱的侧面积有最大值为______________. 2 . 球与锥体 2.1 球与正四面体 正四面体作为一个规则的几何体,它既存在外接球,也存在内切球,并且两心合一,利用这点可顺利解决球的半径与正四面体的棱长关系. 如图4,设正四面体的棱长为,内切球半径为,外接球的半径为,取的中点为,为在底面的射影,连接为正四面体的高。在截面三角形,作一个与边和相切,圆心在高上的圆,即为内切球的截面。 因为正四面体本身的对称性可知,外接球和内切球的球心同为; 此时, 则有解得: 这个解法是通过利用两心合一的思路,建立含有两个球的半径的等量关系进行求解.同时我们可以发现,球心为正四面体高的四等分点.如果我们牢记这些数量关系,可为解题带来极大的方便. 例4 :将半径都为1的四个钢球完全装入形状为正四面体的容器里,这个正四面体的高的最小值为 ( ) A. B. 2+ C. 4+ D. 结论:球的外切正四面体,这个小球球心与外切正四面体的中心重合,而正四面体的中心到顶点的距离是中心到地面距离的3倍. 2.2 球与三条侧棱互相垂直的三棱锥 球与三条侧棱互相垂直的三棱锥组合问题,主要是体现在球为三棱锥的外接球.解决的基本方法是补形法,即把三棱柱补形成正方体或者长方体. 常见两种形式: 一、三棱锥的三条棱互相垂直且相等,则可以补形为一个正方体,它的外接球的球心就是三棱锥的外接球的球心。如图5,三棱锥的外接球的球心和正方体的外接球的球心重合,设,则。 二、如果三棱锥的三条侧棱互相垂直且不相等,则可以补形为一个长方体,它的外接球的球心就是三棱锥的外接球的球心,(为长方体的体对角线长)。 例5 :在正三棱锥中,分别是棱的中点,且,若侧棱,则正三棱锥外接球的表面积是 。 补形法: 出现“墙角”结构利用构造法(补形法),联系长方体。 【原理】:长方体中从一个顶点出发的三条棱长分别为,则体对角线长为,即 补形法总结: 类型1:正四面体、三条侧棱两两垂直的正三棱锥、四个面都是直角的三棱锥,都可构造正方体。 类型2:同一个顶点上的三条棱两两垂直的四面体、相对的棱相等的三棱锥,都可构造长方体或正方体。 类型3:若已知棱锥含有线面垂直关系,则可将棱锥补成长方体或正方体。 类型4:若三棱锥的三个侧面两两垂直,则可将三棱锥补成长方体或正方体。 例1、若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为,则其外接球的表面积是 ______________. 解 : 据题意可知,该三棱锥的三条侧棱两两垂直,∴把这个三棱锥可以补成一个棱长为的正方体,于是正方体的外接球就是三棱锥的外接球. 设其外接球的半径为,则有.∴. 故其外接球的表面积. ②出现正四面体外接球时利用构造法(补形法),联系正方体 例 2.(全国卷)一个四面体的所有棱长都为???,四个顶点在同一球面上,则此球

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