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