热点强化课7 空间几何体球内切球与外切球问题-【创新教程】2026年高考数学总复习大一轮讲义(北师大版2019)

2025-09-09
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内容正文:

2.圆台上、下底面的圆周都在一个直径为10的球面 上,其上、下底面半径分别为4和5,则该圆台的体 积为   . 解析:圆 台 的 下 底 面 半 径 为 5,故下底面在外接球的大圆 上,如图所示, 设球的球心为O,圆台上底面 的 圆 心 为 O′,则 圆 台 的 高 OO′ = OQ2-O′Q2 = 52-42=3. 据此可得圆台的体积V=13π×3× (52+5×4+ 42)=61π. 答案:61π 3.(2025􀅰湖北宜昌市夷陵中学模拟)已知正四面体 ABCD 的表面积为2 3,且A,B,C,D 四点都在球 O 的球面上,则球O 的体积为    . 解析:正四面体各面都是全等的等边三角形,设正 四面体的棱长为a,所以该正四面体的表面积为S =4×12×a× a 2- a2 æ è ç ö ø ÷ 2 = 3a2,所以a= 2, 又正方体的面对角线可构成正四面体, 若正四面体棱长为 2,可得正方体的棱长为1, 所以正方体的外接球即为该正四面体的外接球,所 以外接球的直径为 3,半径为 32 ,所以球O 的体积 为 3 2π. 答案:3 2π 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 学生用书 P130    空间几何体的内切球问题 ▶[命题点1] 等体积法 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋将空间几何体拆分为以内切球球心为顶点的多个几 何体,再利用等体积法求出内切球半径 ,主要用于多 面体内切球问题. [例1] (2025􀅰虎丘区校级模拟)在三棱锥SGABC 中,SA⊥平面ABC,∠ABC=90°,且SA=3,AB=4, AC=5,若球O 在三棱锥SGABC 的内部且与四个 面都相切(称球O 为三棱锥SGABC 的内切球),则 球O 的表面积为 (  ) A.32π27 B. 4π 9 C. 16π 9 D. 16π 81 [解析] 因 为 SA⊥平 面 ABC,∠ABC=90°, AB⊂平面ABC,AC⊂平面ABC,BC⊂平面ABC, 所以SA⊥AB,SA⊥AC,SA⊥BC, 又BC⊥AB,SA∩AB=A,SA,AB⊂平面SAB, 所以BC⊥平面SAB,所以BC⊥SB, 所以△SAB,△ABC,△SAC,△SBC 均为直角三 角形, 设球O 的半径为r,则VSGABC= 1 3 (S△SAB+S△CAB+ S△SAC+S△SBC)􀅰r, 而VSGABC= 1 3×3× 1 2×3×4=6 , S△SAB=S△CAB = 1 2SA 􀅰AB=6, S△SAC=S△SBC= 1 2×3×5= 15 2 , 所以1 3 6+6+ 15 2+ 15 2 æ è ç ö ø ÷ 􀅰r=6, 解得r=23 , 所以球O 的表面积为S=4πr2=4π× 23 æ è ç ö ø ÷ 2 =16π9 . [答案] C [例2] 已知点O 到直三棱柱ABCGA1B1C1 各面的 距离都相等,球O 是直三棱柱ABCGA1B1C1 的内切 球,若球O的表面积为16π,△ABC的周长为4,则三 棱锥A1GABC 的体积为 (  ) A.43 B. 16 3 C. 8 3 3 D. 16 3 3 [解析] 设直三棱柱ABCGA1B1C1 的高为h,AB =c,BC=a,AC=b,内 切 球 O 的 半 径 为r,则h =2r, 由题意可知球O 的表面积为16π=4πr2, 解得r=2,∴h=4, 又△ABC 的周长为4,即a+b+c=4, ∴连接OA,OB,OC,OA1,OB1, OC1,可 将 直 三 棱 柱 ABCG A1B1C1 分成5个棱锥, 即三个以原来三棱柱侧面为底 面,内 切 球 球 心 为 顶 点 的 四 棱 锥,两个以原来三棱柱底面为底 面,内 切 球 球 心 为 顶 点 的 三 棱锥, ∴ 由 体 积 相 等 可 得 直 三 棱 柱 ABCGA1B1C1 的体积为S△ABCh= 1 3ahr+ 1 3bhr+ 1 3chr+2× 1 3S△ABCr , 即4S△ABC= 1 3 (a+b+c)hr+43S△ABC , ∴S△ABC=4, ∴三棱锥A1GABC 的体积为 1 3S△ABCh= 1 3×4×4 =163. [答案] B 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰002􀅰 高考总复习 数学(BS) 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋    球内切多面体问题以球心为顶点,以多面体各面为 底进行体积分割,可由公式1 3S多面体表面积 􀅰R内切球半径 =V多面体体积 来计算内切球半径. ▶[命题点2] 独立截面法 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 主要用于旋转体中,通过独立截面(过球心的截面), 在截面中求出内切球的半径. [例3] (2025􀅰全国模拟)轴截面为正三角形的圆 锥内有一个内切球,若圆锥的底面半径为2,求球 的体积. [解] 如图,作出轴截面,圆O 和AC 相切于点D, 因为△ABC 是正三角形,所以 OA=OB,AD=12AC=2 , BD=4× 32=2 3 , 设内切球半径为R,在直角△AOD 中可得,AO2= AD2+OD2,所以(2 3-R)2=22+R2, 解得R=2 33 ,V=43π 2 3 3 æ è ç ö ø ÷ 3 =32 3π27 ,所以内切 球体积为32 3π 27 . [例4] 如图,在三棱锥VGABC 中,∠AVB=∠BVC=∠CVA =60°,VA=VB=VC,若三棱 锥VGABC 的内切球O 的表面 积为6π,则此三棱锥的体积为 (  ) A.6 3 B.18 3 C.6 2 D.18 2 [解析] 连接VO,并延长交 底面ABC 于点E,连接AE,并 延长交BC 于点D, ∵ 在 三 棱 锥 VGABC 中, ∠AVB=∠BVC=∠CVA= 60°,VA=VB=VC, ∴三棱锥VGABC 是正四面体,∴E 是△ABC 的中 心,∴VE⊥平面ABC, ∵三棱锥VGABC 的内切球O 的表面积为6π, ∴4πr2=6π,解得球O 的半径r=OE= 62 , 设AB=a,则AE=23AD= 2 3 a 2- a2 æ è ç ö ø ÷ 2 = 3a3 , VE= a2- 3a 3 æ è ç ö ø ÷ 2 = 63a , ∴AO=VO= 63a- 6 2 , ∵OE⊥AE,∴AE2+OE2=AO2, ∴ 3a 3 æ è ç ö ø ÷ 2 + 6 2 æ è ç ö ø ÷ 2 = 6 3a- 6 2 æ è ç ö ø ÷ 2 , 解得a=6,∴VE= 63×6=2 6 , ∴此三棱锥的体积为V=13S△ABC 􀅰VE =13× 1 2×6×6×sin60°×2 6=18 2. [答案] D    空间几何体的外接球问题 ▶[命题点1] 补形法(补长方体或正方体) 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋(1)墙角模型(三条线两两垂直) 图示过程 (2r)2=a2+b2+c2(其中r为长方体或正方体的 外接球半径). (2)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(AB=CD,AD=BC,AC=BD) 图示过程如下图: [例5] (2025􀅰河南开封三模)在三棱锥 PGABC 中,PA=AB,PA⊥平面ABC,∠ABC=π2 ,AB+ BC=6,则三棱锥PGABC 外接球体积的最小值为 (   ) A.8 6π B.16 6π C.24 6π D.32 6π 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰102􀅰                                                      主题三 第七章 立体几何与空间向量 [解析] [根 据 题 意 三 棱 锥 PGABC 可以补成分别以BC, AB,PA 为 长、宽、高 的 长 方 体,其 中 PC 为 长 方 体 的 对 角线, 则三 棱 锥 PGABC 的 外 接 球 球心即为PC 的中点,要使三棱锥 PGABC 的外接 球的体积最小,则PC 最小. 设AB=x,则PA=x,BC=6-x, |PC|= AB2+PA2+BC2= 3(x-2)2+24, 所以当x=2时,|PC|min=2 6,则有三棱锥 PGABC 的外接球的球半径最小为 6, 所以Vmin= 4 3πR 3=8 6π. [答案] A [例6] (2025􀅰全国模拟)在三棱锥PGABC 中,PA =BC=4,PB=AC=5,PC=AB= 11,则三棱锥 PGABC 的外接球的表面积为 (  ) A.26π B.12π C.8π D.24π [解析] 在三棱锥PGABC 中,PA=BC=4,PB= AC=5,PC=AB= 11, 构造长方体,使得面上的对角 线长分别为4,5,11,则长方 体 的 对 角 线 长 等 于 三 棱 锥 PGABC外接球的直径,如图, 设长方体的棱长分别为x,y, z,则x2+y2=16,y2+z2=25,x2+z2=11, 则x2+y2+z2=26, 因此三棱锥PGABC 外接球的直径为 26, 所以 三 棱 锥 PGABC 外 接 球 的 表 面 积 为 4π􀅰 26 2 æ è ç ö ø ÷ 2 =26π. [答案] A 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋    外接球补形法 (1)墙角型:由一个顶点出发的三条棱两两互相垂 直,可补形为长方体或正方体,再利用公式法求 解外接球问题; (2)对棱相等型:如果一个多面体的对棱都相等,可 以补形为长方体,或正方体,再利用公式法求解 外接球问题. ▶[命题点2] 外接球单面定球心法 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 [例7] (2025􀅰 安徽安庆校联考)已 知 三 棱 锥 PGABC的各侧棱长均为2 3,且AB=3,BC= 3, AC=2 3,则三棱锥PGABC 的外接球的表面积为     . 解析:如图1:     图1       图2   过P 点作平面ABC 的垂线,垂足为 M, 则△PMA,△PMB,△PMC 都是直角三角形, 又因为 PA=PB,∴△PMA≌△PMB,同理可得 △PMA≌△PMC,∴MA=MB=MC, 所以 M 点是△ABC 的外心. 又∵AB2+BC2=12=AC2, ∴△ABC 是以AC 斜边的直角三角形, ∴2P 在底面ABC 的射影为斜边AC 的中点M,如 图2: 则PM= PC2-CM2= (2 3)2-(3)2=3, 设三棱锥PGABC 外接球的球心为O,半径为r, 则O 在PM 上,则OC2=OM2+CM2, 即(3-r)2+(3)2=r2,得r=2,外接球的表面积 为4πr2=16π. 答案:16π [例8] (2025􀅰 贵州贵阳模拟预测)在 三 棱 锥 AGBCD中,已知AC⊥BC,AC=BC=2,AD=BD = 6,且平面ABD⊥平面ABC,则三棱锥AGBCD 的外接球表面积为 (   ) A.8π B.9π C.10π D.12π [解析] 如图,设外接球的半径为 R,取AB 的中点O1,连接O1D,则 由AD=BD,得O1D⊥AB, 因为平面ABD⊥平面ABC, 平面ABD∩平面 ABC=AB,O1D ⊂平面ABD, 所以O1D⊥平面ABC,则球心O 在直线O1D 上. 连接OA,则OD=OA=R, 因为AC⊥BC,AC=BC=2,所以AB=2 2; 因为AD=BD= 6,所以AO1= 2,O1D=2. 因为O1D>AO1,所以球心在线段O1D 上. 在Rt△O1OA 中,由勾股定理, 得OO21+O1A2=OA2, 即(2-R)2+2=R2,解得R=32 , 所以三棱锥AGBCD 的外接球表面积为4πR2= 4π× 32 æ è ç ö ø ÷ 2 =9π. [答案] B 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰202􀅰 高考总复习 数学(BS) 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋    外接球单面定球心法 第一步:选定一个底面(如图中底面三角形ABC), 求出三角形ABC外接圆圆心O1 如图,若△ABC 为直角三角形,则外接圆圆心O1 在斜边的中点上; ①若△ABC为正三角形,则外接圆圆心O1 在重心 位置; 若△ABC为普通三角形,则利 用正弦定理 a sinA=2r ,确定出 O1 的位置; ②第二步:过点 O1 作出平面 ABC的垂线,如图为 PO1,则 球心O 在直线PO1 上;③计算:在Rt△AO1O 中, 利用勾股定理求出外接球半径R. ▶[命题点3] 外接球双面定球心法 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 [例9] (2025􀅰河南省杞县模拟)在边长为6的菱形 ABCD 中,∠A=π3 ,现将△ABD 沿BD 折起到 △PBD 的位置,当三棱锥PGBCD 的体积最大时, 三棱锥PGBCD 的外接球的表面积为 (  ) A.60π B.45π C.30π D.20π [解析] 当 三 棱 锥 PGBCD 的体积最大值时,平面PBD ⊥平面BCD,如图, 取 BD 的 中 点 为 H,连 接 PH,CH,则PH⊥BD. 设 O1,O2 分 别 为△PBD, △BCD 外接圆的圆心, O 为三棱锥PGBCD 的外接球的球心, 则O1 在 PH 上,O2 在CH 上,且 PO1=2O1H= 2 3PH=2 3 , 且O2H⊥BD,OO1⊥平面PBD,OO2⊥平面BCD. ∵平面PBD⊥平面BCD,平面PBD∩平面BCD =BD, PH⊂平面PBD,PH⊥BD, ∴PH⊥平面BCD,PH∥O2O,同理CH∥O1O, ∴四边形O1OO2H 为平行四边形, ∵PH⊥平面BCD,O2H⊂平面BCD, ∴PH⊥O2H,即四边形O1OO2H 为矩形. ∴OO2=O1H= 3CO2= 2 3× 3 2×6=2 3 , ∴外接球半径R= OO22+CO22= 3+12= 15, ∴外接球的表面积为4πR2=60π. [答案] A [例10] (2025􀅰湖南邵阳市第二中学期末)一边长 为4 的 正 方 形 ABCD,M 为 AB 的 中 点,将 △AMD,△BMC 分别沿 MD,MC 折起,使 MA, MB 重合,得到一个四面体,则该四面体外接球的 表面积为 (  ) A.76π3 B.48π C.81π D. 19 57π 9 [解析] 如图所示, 由图可知在四面体 AGCDM 中,由正方形 ABCD, M 为AB 的中点,可得 MA⊥AD,MA⊥AC,AC∩ AD=A,故 MA⊥平面ACD. 将图形旋转得到如图所示的三棱锥 MGACD,其中 △ACD 为等边三角形,过△ACD 的中心O1 作平 面ACD 的垂线l1,过线段 MC 的中点O2 作平面 MAC 的垂线l2,由球内截面的性质可得直线l1 与 l2 相交,记l1∩l2=O,则O 即为三棱锥MGACD 外 接球的球心. 设外接球的半径为R,连接OC,O1C,可得 O1C= 4 3 ,OO1= 1 2MA=1 , 在Rt△OO1C 中,OC2=OO21+O1C2= 19 3=R 2, 故该外接球的表面积S=4πR2=4π×193= 76 3π. [答案] A 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋    外接球双面定球心法 ①第一步:选定一个底面(如底面三角形ABC),求 出三角形ABC外接圆圆心O1 若△ABC为直角三角形,则外接圆圆心O1 在斜边 的中点上; 若△ABC 为正三角形,则外接圆圆心O1 在重心 位置; 若△ABC为普通三角形,则利用正弦定理 asinA =2r,确定出O1 的位置; ②第二步:过点O1 作出平面ABC的垂线; ③第三步:重复上述两步,再做一条垂线; ④第四步:两条垂线的交点为球心O. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰302􀅰                                                      主题三 第七章 立体几何与空间向量

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热点强化课7 空间几何体球内切球与外切球问题-【创新教程】2026年高考数学总复习大一轮讲义(北师大版2019)
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