内容正文:
第七章
立体几何与空间向量
第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
1.空间几何体的结构特征
(1)多面体的结构特征
名称 棱柱 棱锥 棱台
图形
底面 互相____且____ 多边形 互相____且____
侧棱 __________ 相交于____但不一定相等 延长线交于____
侧面形状 __________ ______ ____
平行
全等
平行
相似
平行且相等
一点
一点
平行四边形
三角形
梯形
(2)特殊的棱柱
①侧棱垂直于底面的棱柱叫做______.
②侧棱不垂直于底面的棱柱叫做______.
③底面是正多边形的直棱柱叫做______.
④底面是平行四边形的四棱柱叫做__________.
(3)正棱锥
底面是正多边形,并且顶点与底面中心的连线垂直于底面的棱锥叫做正棱锥.特别地,各棱均相等的正三棱锥叫正四面体.
直棱柱
斜棱柱
正棱柱
平行六面体
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(4)旋转体的结构特征
名称 圆柱 圆锥 圆台 球
图形
母线 互相平行且相等,____于底面 相交于____ 延长线交于____
轴截面 ____ __________ ________ ____
侧面展开图 ____ ____ ____
垂直
一点
一点
矩形
等腰三角形
等腰梯形
圆面
矩形
扇形
扇环
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
2.立体图形的直观图
(1)画法:常用__________.
(2)规则:
①原图形中x轴、y轴、z轴两两垂直,直观图中,x′轴、y′轴的夹角为45°(或135°),z′轴与x′轴和y′轴所在平面____.
②原图形中平行于坐标轴的线段,直观图中仍________________,平行于x轴和z轴的线段在直观图中保持原长度____,平行于y轴的线段长度在直观图中变为原来的____.
斜二测画法
垂直
分别平行于坐标轴
不变
一半
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
3.圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式
圆柱 圆锥 圆台
侧面展
开图
侧面积公式 S圆柱侧=____ S圆锥侧=___ S圆台侧=____________
2πrl
πrl
π(r1+r2)l
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
4.柱、锥、台、球的表面积和体积
名称 表面积 体积
柱体(棱柱和圆柱) S表面积=S侧+2S底 V=___
锥体(棱锥和圆锥) S表面积=S侧+S底 V=_____
台体(棱台和圆台) S表面积=S侧+S上+S下 V=(S上+S下+)h
球 S=______ V=______
Sh
Sh
4πR2
πR3
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
[常用结论]
1.与体积有关的几个结论
(1)一个组合体的体积等于它的各部分体积的和或差.
(2)底面面积及高都相等的两个同类几何体的体积相等(祖暅原理).
2.直观图与原平面图形面积间的关系:S直观图=S原图形,S原图形=2S直观图.
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
一、易错易混辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)有两个面平行,其余各面都是平行四边形的几何体是棱柱. ( )
(2)菱形的直观图仍是菱形. ( )
(3)两个球的体积之比等于它们的半径比的平方. ( )
(4)底面是正多边形的棱锥是正棱锥. ( )
×
×
×
×
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
二、教材经典衍生
1.(人教A版必修第二册P119练习T2改编)一个球的表面积是16π,那么这个球的体积为( )
A.π B.π C.16π D.24π
B [设球的半径为R,则S=4πR2=16π,解得R=2,则球的体积V=πR3=π.]
2.(人教A版必修第二册P106习题8.1T8改编)如图所示,长方体ABCD-A′B′C′D′中被截去一部分,其中EH∥A′D′,则剩下的几何体是( )
A.棱台 B.四棱柱 C.五棱柱 D.简单组合体
C [由几何体的结构特征知,剩下的几何体为五棱柱.]
√
√
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
3.(人教A版必修第二册P119练习T1改编)已知圆锥的表面积等于12π cm2,其侧面展开图是一个半圆,则底面圆的半径为( )
A.1 cm B.2 cm C.3 cm D. cm
B [设圆锥的底面圆的半径为r,母线长为l,因为侧面展开图是一个半圆,所以πl=2πr,即l=2r,所以πr2+πrl=πr2+πr·2r=3πr2=12π,解得r=2(cm).]
4.(人教A版必修第二册P120习题8.3T3改编)如图,一个直三棱柱形容器中盛有水,且侧棱AA1=16.若侧面AA1B1B水平放置时,液面恰好过AC,BC,
A1C1,B1C1的中点.当底面ABC水平放置时,液面高为______.
12 [设△ABC的面积为a,底面ABC水平放置时,液面高为h,侧面AA1B1B水平放置时,水的体积为V=S△ABC·AA1=a·16=12a,当底面ABC水平放置时,水的体积为V=S△ABCh=ah,于是ah=12a,解得h=12,所以当底面ABC水平放置时,液面高为12.]
√
12
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
考点一 基本立体图形
考向1 结构特征
[典例1] 下列关于棱锥、棱台的说法:
①棱台的侧面一定不会是平行四边形;
②由四个平面围成的封闭图形只能是三棱锥;
③棱锥被平面截成的两部分不可能都是棱锥.
其中正确说法的序号是________.
①② [①正确,棱台的侧面一定是梯形,而不是平行四边形;
②正确,由四个平面围成的封闭图形是四面体也就是三棱锥;
③错误,如图所示的四棱锥被平面截成的两部分都是棱锥.]
①②
考向2 直观图
[典例2] (多选)如图所示,△A′B′C′是水平放置的△ABC的斜二测直观图,其中O′C′=O′A′=2O′B′=2,则以下说法正确的是( )
A.△ABC是钝角三角形
B.△ABC的面积是△A′B′C′的面积的2倍
C.△ABC是等腰直角三角形
D.△ABC的周长是4+4
√
CD [根据斜二测画法可知,在原图形中,O为CA的中点,AC⊥OB,
因为O′C′=O′A′=2O′B′=2,所以CO=AO=2,AC=4,OB=2,
则△ABC是斜边为4的等腰直角三角形,如图所示:
所以△ABC的周长是4+4,面积是4,A错误,C,D正确.由斜二测画法可知,△ABC的面积是△A′B′C′的面积的2倍,B错误.故选CD.]
√
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
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已知正三角形ABC的边长为a,那么△ABC的平面直观图△A′B′C′的面积为( )
A.a2 B.a2 C.a2 D.a2
D [法一:如图①②所示的实际图形和直观图,由图②可知,A′B′=AB=a,O′C′=OC=a,在图②中作C′D′⊥A′B′于D′,则C′D′=O′C′=a,
所以S△A′B′C′=A′B′×C′D′=×a×a=a2.故选D.
法二:S△ABC=×a×a sin 60°=a2,
又S直观图=S原图=a2=a2.故选D.]
√
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
考向3 展开图
[典例3] (1)如果圆锥的侧面展开图是直径为a的半圆面,那么此圆锥的轴截面是( )
A.等边三角形 B.等腰直角三角形
C.顶角为30°的等腰三角形 D.其他等腰三角形
(2)如图,正三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱长为a,底面边长为b,一只
蚂蚁从点A出发沿每个侧面爬到A1,路线为A→M→N→A1,则蚂
蚁爬行的最短路程是( )
A. B.
C. D.
√
√
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(1)A (2)A [(1)因为圆锥的侧面展开图是直径为a的半圆面,所以圆锥的底面圆的直径为,母线长也为,所以此圆锥的轴截面是等边三角形.故选A.
(2)正三棱柱的侧面展开图是如图所示的矩形,矩形的长为3b,宽为a,则其对角线AA1的长为最短路程.因此蚂蚁爬行的最短路程为.故选A.]
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
名师点评 (1)空间几何体结构特征的判断技巧:紧扣结构特征是判断的关键,熟悉空间几何体的结构特征,依据条件构建几何模型,在条件不变的情况下,变换模型中的线面关系或增加线、面等基本元素,然后再依据题意判定.
(2)在斜二测画法中,平行于x轴或在x轴上的线段平行性不变,长度不变;平行于y轴或在y轴上的线段平行性不变,长度减半.
(3)在解决空间几何体最短距离问题时,一般考虑其展开图,采用化曲为直的策略,将空间问题平面化.
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
[跟进训练]
1.(1)(多选)下列说法中正确的是( )
A.长方体是直四棱柱
B.两个面平行,其余各面是梯形的多面体是棱台
C.正棱锥的侧面是全等的等腰三角形
D.平行六面体不是棱柱
(2)在我国古代数学名著《数学九章》中有这样一个问题:“今有木长二丈四尺,围之五尺.葛生其下,缠本两周,上与木齐,问葛长几何?”意思是“圆木长2丈4尺,圆周长为5尺,葛藤从圆木的底部开始向上生长,绕圆木两周,刚好顶部与圆木平齐,问葛藤最少长多少尺?”(注:1丈等于10尺),则这个问题中,葛藤长的最小值为( )
A.2丈4尺 B.2丈5尺 C.2丈6尺 D.2丈8尺
(3)用斜二测画法画一个水平放置的平面图形的直观图为如图所示的直
角梯形,其中BC=AB=1,则原平面图形的面积为_____.
√
√
√
3
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(1)AC (2)C (3)3 [(1)长方体是直四棱柱,A正确;两个平面平行,其余各面是梯形的多面体,当侧棱延长后不交于同一点时,就不是棱台,B错误;正棱锥的侧面是全等的等腰三角形,C正确;平行六面体一定是棱柱,D错误.故选AC.
(2)如图,由题意,圆柱的侧面展开图是矩形ABEF,圆木的高AB=24尺,BE=5尺,因此葛藤绕圆木2周后最少长为BD===26(尺),即为2丈6尺.
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(3)法一:如图,过点A作AE⊥CD于点E,
因为∠ADC=45°,所以AD=AE=BC=,
CD=CE+DE=CE+AE=AB+BC=2.
原平面图形中A′D′=2,A′B′=AB=1,C′D′=CD=2,
作原平面图形如图,
则原平面图形的面积为(C′D′+A′B′)×A′D′=3.
法二:在直观图中,∠ADC=45°,AB=BC=1,DC⊥BC,所以AD=,CD=2,所以直角梯形ABCD的面积为=,所以原图形的面积为×2=3.]
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
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1.已知圆锥的母线长为1,其侧面展开图是一个圆心角为120°的扇形,则该圆锥的轴截面面积为( )
A.
C.
√
B [因为圆锥的母线长为1,其侧面展开图是一个圆心角为120°的扇形,所以圆锥的底面周长为1×=,所以底面半径为,高为=,所以轴截面面积为=.故选B.]
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
2.在数学上,富勒烯的结构都是以正五边形和正六边形面组成的凸多面体,例如富勒烯C60(结构图如图)是单纯用碳原子组成的稳定分子,具有60个顶点和32个面,其中12个面为正五边形,20个面为正六边形.除C60外具有封闭笼状结构的富勒烯还可能有C28,C32,C50,C70,C84,C240,C540等,则C84结构含有正六边形的个数为( )
A.12 B.24 C.30 D.32
√
D [设分子中形状为正五边形和正六边形的面各有x个和y个,V=84,F=x+y,E=3×84÷2.由欧拉公式V+F-E=2,可得84+x+y-3×84÷2=2,即x+y=44.又由多边形的边数可表示C84的棱数,即(5x+6y)÷2=3×84÷2,即5x+6y=252,由解得故C84结构含有正六边形的个数为32.]
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
考点二 空间几何体的表面积与体积
考向1 表面积
[典例4] (1)(2020·全国Ⅰ卷)已知A,B,C为球O的球面上的三个点,⊙O1为△ABC的外接圆.若⊙O1的面积为4π,AB=BC=AC=OO1,则球O的表面积为( )
A.64π B.48π C.36π D.32π
(2)(2024·湖南长沙模拟)为了给热爱朗读的师生提供一个安静独立
的环境,某学校修建了若干“朗读亭”.如图所示,该朗读亭的外
形是一个正六棱柱和正六棱锥的组合体,正六棱柱两条相对侧棱所
在的轴截面为正方形,若正六棱锥的高与底面边长的比为2∶3,则
正六棱锥与正六棱柱的侧面积的比值为( )
A. B. C. D.
√
√
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(1)A (2)B [(1)如图所示,设球O的半径为R,⊙O1的半径为r,因为⊙O1的面积为4π,所以4π=πr2,解得r=2,又AB=BC=AC=OO1,所以=2r,解得AB=2,故OO1=2,所以R2=+r2=(2)2+22=16,所以球O的表面积S=4πR2=64π.故选A.
(2)设正六边形的边长为a,由题意正六棱柱的高为2a,因为正六棱锥的高与底面边长的比为2∶3,所以正六棱锥的高为a,正六棱锥的侧棱长为a,正六棱锥的侧面积S1=6×a=a2;
正六棱柱的侧面积S2=6·a·2a=12a2,所以=.故选B.]
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考向2 体积
[典例5] (1)已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,则三棱锥A-B1CD1的体积为( )
A. B. C.4 D.6
(2)(2023·全国甲卷)在三棱锥P-ABC中,△ABC是边长为2的等边三角形,PA=PB=2,PC=,则该棱锥的体积为( )
A.1 B. C.2 D.3
(3)(2023·新高考Ⅰ卷)在正四棱台ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,A1B1=1,AA1=,则该棱台的体积为________.
√
√
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(1)B (2)A (3) [(1)如图,三棱锥A-B1CD1是由正方体ABCD-A1B1C1D1截去四个小三棱锥A-A1B1D1,C-B1C1D1,B1-ABC,D1-ACD,
又=23=
====×23=,
所以=8-4×=.
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(2)如图,取AB的中点D,连接PD,CD,因为△ABC是边长为2的等边三角形,PA=PB=2,所以PD⊥AB,CD⊥AB,所以PD=CD=,又PC=,所以PD2+CD2=PC2,所以PD⊥CD,又AB∩CD=D,AB,CD⊂平面ABC,所以PD⊥平面ABC,所以VP-ABC=×S△ABC×PD=×2×=1,故选A.
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
(3)法一:如图所示,设V点O1,O分别为正四棱台ABCD-A1B1C1D1上、下底面的中心,连接B1D1,BD,则点O1,O分别为B1D1,BD的中点,连接O1O,则O1O即是正四棱台ABCD-A1B1C1D1的高,过点B1作B1E⊥BD,垂足为E,则B1E=O1O.因为AB=2,A1B1=1,所以OB=,O1B1=,所以BE=OB-OE=OB-O1B1=,又AA1=,所以BB1=,B1E===,所以O1O=,所以=×(22+12+)×=.
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法二:如图,将正四棱台ABCD-A1B1C1D1补形成正四棱锥P-ABCD,因为AB=2,A1B1=1,AB∥A1B1,所以A1,B1,C1,D1分别为PA,PB,PC,PD的中点,又A1A=,所以PA=2,即PB=2.连接BD,取BD的中点为O,连接PO,则PO⊥平面ABCD,易知BO=,所以PO==,所以正四棱台ABCD-A1B1C1D1的高为,所以=×(22+12+)×=.(或者V四棱锥P-ABCD=×22×=,=V四棱锥P-ABCD,所以=V四棱锥P-ABCD-=V四棱锥P-ABCD==.)]
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第1课时 基本立体图形、简单几何体的表面积与体积
名师点评 求空间几何体的体积的常用方法
公式法 规则几何体的体积问题,直接利用公式进行求解
割补法 把不规则的几何体分割成规则的几何体,或者补成规则的几何体
等体
积法 通过选择合适的底面来求几何体体积,特别是三棱锥的体积(即利用三棱锥的任一个面可作为三棱锥的底面进行等体积变换)
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2.(1)(多选)(2023·新高考Ⅱ卷)已知圆锥的顶点为P,底面圆心为O,AB为底面直径,∠APB=120°,PA=2,点C在底面圆周上,且二面角P-AC-O为45°,则( )
A.该圆锥的体积为π B.该圆锥的侧面积为4π
C.AC=2 D.△PAC的面积为
(2)《九章算术》是我国古代的数学巨著,其卷第五“商功”有如下的问题:“今有刍甍,下广三丈,袤四丈,上袤二丈,无广,高一丈.问积几何?”意思为:今有底面为
矩形的屋脊形状的多面体(如图),下底面宽AD=3丈,长AB=4丈,上棱EF=
2丈,EF与平面ABCD平行,EF与平面ABCD的距离为1丈,则它的体积是( )
A.4立方丈 B.5立方丈 C.6立方丈 D.8立方丈
(3)如图,四边形OABC是边长为1的正方形,是四分之一圆,则图中阴
影部分以OC所在直线为旋转轴旋转一周得到的旋转体的表面积为________.
√
√
√
5π
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(1)AC (2)B (3)5π [(1)AC (2)B (3)5π [(1)在△PAB中,由余弦定理得AB=2.如图,连接PO,易知圆锥的高h=PO=1,底面圆的半径r=AO=BO=.该圆锥的体积V=πr2h=π,A正确;
该圆锥的侧面积S侧=πr·PA=2π,B错误;取AC的中点H,连接PH,OH,因为OA=OC,所以OH⊥AC,同理可得PH⊥AC,则二面角P-AC-O的平面角为∠PHO=45°,所以OH=PO=1,AH=CH==,所以AC=2,C正确;PH=OH=,S△PAC=×AC×PH=2,D错误.故选AC.
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(2)如图,过点E作EG⊥平面ABCD,垂足为点G,过点F作FH⊥平面ABCD,垂足为点H,过点G作PQ∥AD,交AB于点Q,交CD于点P,过点H作MN∥BC,交AB于点N,交CD于点M,由图形的对称性可知,AQ=BN=1,QN=2,且四边形AQPD与四边形NBCM都是矩形.则它的体积V=VE-AQPD
+VEPQ-FMN+VF-NBCM=·EG·S矩形AQPD+S△EPQ·NQ+·FH
·S矩形NBCM=×1×1×3+×3×1×2+×1×1×3=5(立方丈).
(3)该旋转体是一个圆柱挖去一个半球后剩余的部分,且圆柱的底面半径是1,高是1,球的半径是1,所以该旋转体的表面积为π×12+2π×1×1+×4π×12=5π.]
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1.(2024·湖北武汉模拟)已知某圆锥的母线长、底面圆的直径都等于球的半径,则球与圆锥的表面积之比为( )
A.8 B.
C. D.
B [设圆锥的母线长为l,底面圆的半径为r,球的半径为R,则l=2r=R,即R=2r,l=2r,球的表面积S1=4πR2=16πr2,圆锥的表面积S2=πrl+πr2=2πr2+πr2=3πr2,则==.]
√
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2.(2024·河北石家庄模拟)一个圆锥的侧面展开的扇形面积是底面圆面积的2倍,若该圆锥的体积为9π,则该圆锥的母线长为( )
A.3 B.3
C.6 D.6
C [设圆锥的底面圆半径为r,高为h,母线长为l,
则圆锥侧面展开的扇形面积为πrl,底面圆面积为πr2,
因为πrl=2πr2,所以l=2r,得h==r,所以圆锥的体积为V=πr2h=πr2·r=9π,解得r=3,所以l=6,即圆锥的母线长为6.故选C.]
√
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3.(2024·江苏常州模拟)如图,圆锥的底面半径为1,侧面展开图是一个圆心角为60°的扇形.把该圆锥截成圆台,已知圆台的下底面与该圆锥的底面重合,圆台的上底面半径为,则圆台的侧面积为( )
A. B. C. D.8π
C [假设圆锥半径为R,母线为l,则R=1.设圆台上底面半径为r,母线为l1,则r=.由已知可得,==,所以l=6.
如图,作出圆锥、圆台的轴截面,
则有==,所以l1=4.
所以圆台的侧面积为π(R+r)l1=4×π=π.故选C.]
√
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$$