内容正文:
7.3 空间几何体的表面积和体积
7.3.1 空间几何体的表面积
课程标准
素养解读
1.知道棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和球的表面积的计算公式;
2.能用公式解决简单的实际问题
通过计算棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和球的表面积,培养数学运算素养,通过求表面积过程中对几何体特征的判断,提升直观想象素养
问题:求一个几何体的表面积时,一般要应用到这个几何体的平面展开图,其平面展开图一定相同吗?其表面积是否确定?
提示:对于一个几何体,不同的展开方式,其平面展开图是不同的,但其表面积是唯一确定的.
[知识点一] 多面体的表面积
(1)多面体的表面积就是围成多面体 各个面 的面积的和.
(2)棱柱、棱锥的表面积分别等于它们的 侧面积 与 底面积 之和.
1.长方体、正方体的表面积公式是什么?
提示:(1)长方体是特殊的直棱柱,设长方体的长、宽、高分别为a,b,c,则长方体的表面积为S长方体表=2(ab+bc+ac).
(2)正方体的表面积为S正方体表=6a2(a为正方体的棱长).
[知识点二] 旋转体的表面积
圆柱
底面积:S底= πr2
侧面积:S侧=2πrl
表面积:S= 2πrl+2πr2
圆锥
底面积:S底= πr2
侧面积:S侧=πrl
表面积:S= πrl+πr2
球
表面积S球= 4πR2
2.球的表面是曲面吗?
提示:球的表面是曲面,不能在一个平面上展开,即使是球面上任意小的一块,也不能在一个平面上展开,因此球没有展开图.
1.已知某正方体的棱长为2,则该正方体的表面积为( )
A.24 B.20 C.10 D.11
解析:A [正方体的表面积S表=6×22=24.]
2.圆柱底面半径r=2,母线l=3,则圆柱的表面积是( )
A.8π B.12π C.16π D.20π
解析:D [因为圆柱底面半径r=2,母线l=3,所以圆柱的表面积是2πr2+2πrl=8π+12π=20π.]
3.若一个球的直径为2,则此球的表面积为( )
A.2π B.4π C.8π D.16π
解析:B [∵球的直径为2,∴球的半径为1,
∴球的表面积S=4πR2=4π.]
求多面体的表面积
已知棱长均为5,底面为正方形的四棱锥S-ABCD如图所示,求它的侧面积、表面积.
[思路点拨] 利用正棱锥侧面积和表面积公式求解.
[解] ∵四棱锥S-ABCD的各棱长均为5,
∴各侧面都是全等的正三角形.
设E为AB的中点,连接SE(图略),则SE⊥AB,
∴S侧=4S△SAB=4×AB×SE=2×5×=25,S表=S侧+S底=25+25=25(+1).
1.求多面体的表面积和侧面积二者不同,要分清二者区别.
2.棱锥的表面积计算常借助侧面三角形的高、侧棱及其在底面的射影与高、底面边长等构成的直角三角形求解.
[变式训练]
1.现有一个底面是菱形的直四棱柱,它的体对角线长为9和15,高是5,求该直四棱柱的侧面积.
解:如图,设底面对角线AC=a,
BD=b,交点为O,
对角线A1C=15,
B1D=9,
∴a2+52=152,b2+52=92,
∴a2=200,b2=56.
∵该直四棱柱的底面是菱形,
∴AB2=2+2===64,
∴AB=8.
∴直四棱柱的侧面积S=4×8×5=160.
求旋转体的表面积
(1)已知圆柱的底面半径和高都是2,那么圆柱的侧面积是( )
A.4π B.8π C.12π D.16π
[思路点拨] 利用圆柱的侧面积公式求解.
[解析] 因为圆柱的底面半径和高都是2,所以圆柱的侧面积S=2×π×2×2=8π.
[答案] B
(2)已知某圆锥的高为3,底面半径为,则该圆锥的侧面积为( )
A.π B.2π
C.2π D.6π
[思路点拨] 先求圆锥的母线,然后利用圆锥的侧面积公式求解.
[解析] 由题意得,该圆锥的侧面积为π××=π.
[答案] A
解决圆柱、圆锥的表面积问题,要利用好旋转体的轴截面及侧面展开图,借助于平面几何知识,求得所需几何要素,代入公式求解即可,基本步骤如下:
(1)得到空间几何体的平面展开图;
(2)依次求出各个平面图形的面积;
(3)将各平面图形的面积相加.
[变式训练]
2.正方形的边长为a,分别求正方形的内切球和外接球的表面积.
解:正方体的内切球的直径大小等于正方体的边长的大小,则内切球的半径r=,
故内切球的表面积S球=4πr2=πa2,
正方体的外接球的直径大小等于正方体的体对角线的大小(a),则外接球的半径R=,
故外接球的表面积S球=4πR2=3πa2.
组合体的表面积
如图所示,在边长为4的正三角形ABC中,E,F依次是AB,AC的中点,AD⊥BC,EH⊥BC,FG⊥BC,D,H,G为垂足,若将正三角形ABC绕AD旋转180°,求阴影部分形成的几何体的表面积.
[思路点拨] 先分析组合体表面积由哪些图形组成,然后利用面积公式求解.
[解] 由题意知,旋转后的几何体是一个圆锥,从下面挖去一个圆柱,且圆锥的底面半径为2,高为2,圆柱的底面半径为1,高为.
所求旋转体的表面积由三部分组成:圆锥的底面、侧面,圆柱的侧面.
S圆锥底面=4π,S圆锥侧=8π,S圆柱侧=2π,
故所求几何体的表面积为:
4π+8π+2π=12π+2π.
求组合体的表面积.首先要认清组合体是由哪些简单几何体构成的,组合体的表面积是可见的围成组合体的所有面的面积之和,但不一定是组合体的几个简单几何体的表面积之和.
[变式训练]
3.一个正四棱柱的各个顶点都在一个半径为2 cm的球面上,如果正四棱柱的底面边长为2 cm,那么该棱柱的表面积为( )
A.(2+4)cm2 B.(8+16)cm2
C.(4+8)cm2 D.(16+32)cm2
解析:B [∵一个正四棱柱的各个顶点都在一个半径为2 cm的球面上,正四棱柱的底面边长为2 cm,球的直径为正四棱柱的体对角线,∴正四棱柱的体对角线长为4 cm,正四棱柱的底面对角线长为2 cm,∴正四棱柱的高为=2(cm),
∴该棱柱的表面积为2×22+4×2×2
=8+16(cm2).]
1.圆锥的侧面展开图是( )
A.长方形 B.扇形
C.圆 D.三角形
解析:B [如图,圆锥的侧面展开图是一个扇形.]
2.棱长均为1的正四面体的表面积是( )
A. B.+1
C.2 D.2+1
解析:A [如图,由正四面体的概念可知,其四个面均是全等的等边三角形,由其棱长为1得,S△ABC=AB·AC·sin 60°=,所以正四面体的表面积为4S△ABC=.]
3.一个正方体的顶点都在球面上,它的棱长为1 cm,则球的表面积是( )
A.π cm2 B.2π cm2 C.3π cm2 D.4π cm2
解析:C [球的半径r==,则S表=4πr2=3π(cm2).]
4.圆柱的底面半径为3,母线为4,则侧面积为 ________ .
解析:S侧=2πrl=2π×3×4=24π.
答案:24π
[基础过关]
1.底面边长和高都是1的正三棱柱的表面积是( )
A.3 B.
C.3+ D.3+
解析:D [表面积为2××1×1×+3×1×1=+3.]
2.用一个宽2 cm、长3 cm的矩形卷一个圆柱,则此圆柱的侧面积为 ________ cm2.( )
A.5 B.6 C.8 D.12
解析:B [用一个宽2 cm、长3 cm的矩形卷一个圆柱,所以此圆柱的侧面积为矩形的面积2×3=6 cm2.]
3.棱长都是3的正四面体的表面积为( )
A.9 B.6 C.3 D.54
解析:A [因为正四面体的棱长为3,所以正四面体的表面积为4××32=9.]
4.已知正四棱锥的底面边长为6,侧棱长为5,则此棱锥的侧面积为( )
A.6 B.12 C.24 D.48
解析:D [正四棱锥的底面边长为6,侧棱长为5,则其斜高h′==4,所以正四棱锥的侧面积S=×4×6×4=48.]
5.若圆锥的轴截面(过圆锥轴的一个截面)是一个边长为2的等边三角形,则该圆锥的侧面积为( )
A.π B.2π C.3π D.4π
解析:B [由题意,得圆锥的母线长为2,底面半径为1,底面周长为2π,则该圆锥的侧面积为×2π×2=2π.]
6.棱长为1的正方体的内切球的表面积为 ________ .
解析:由题意可知,内切球半径r=,则S表=4πr2=π.
答案:π
7.已知直棱柱的底面周长为12,高为4,则这个棱柱的侧面积等于 ________ .
解析:因为直棱柱的底面周长为12,高为4,
所以这个棱柱的侧面积为12×4=48.
答案:48
8.一个棱柱的侧面展开图是三个全等的矩形,矩形的长和宽分别为5 cm,4 cm,则该棱柱的侧面积为 ________ cm2.
解析:棱柱侧面展开图的面积即为棱柱的侧面积
∴棱柱的侧面积为3×5×4=60 cm2.
答案:60.
9.若长方体的三个面的面积分别是 cm2, cm2, cm2,求:
(1)长方体的体对角线的长;
(2)长方体的表面积.
解:(1)设长方体的长,宽,高分别为a cm,b cm,c cm,如图.
令解得
∵BD=DD+BD2=DD+AD2+AB2
=a2+b2+c2=6,∴BD1= cm,
∴该长方体的体对角线长为 cm.
(2)S表=(2+2+2)cm2.
[能力提升]
10.各棱长均为a的三棱锥的表面积为( )
A.4a2 B.3a2
C.a2 D.2a2
解析:C [由题意可知三棱锥是正四面体,各个三角形的边长为a,三棱锥的表面积就是四个全等三角形的面积,即4×a2=a2,所以C选项是正确的.]
11.已知矩形的长为6π、宽为2π,将该矩形卷成圆柱的侧面,那么圆柱的底面积为( )
A.9π B.π
C.9π或π D.3π或π
解析:C [设底面半径为r,则2πr=6π或2πr=2π,解得r=3或r=1.故圆柱的底面积为9π或π.]
12.轴截面是正三角形的圆锥称作等边圆锥,则等边圆锥的侧面积是底面积的( )
A.4倍 B.3倍
C.倍 D.2倍
解析:D [设轴截面正三角形的边长为2a,
∴S底=πa2,S侧=πa×2a=2πa2,∴S侧=2S底.]
13.已知圆锥的底面半径为1,其侧面展开图是一个圆心角为120°的扇形,则该圆锥的表面积为( )
A.2π B.3π C.4π D.5π
解析:C [设圆锥的母线长为l,则l·=2π,解得l=3,则该圆锥的表面积为π×3×1+π×12=4π.]
14.底面边长和高都为2的正四棱锥的表面积为 ________ .
解析:如图所示,PO=2,OH=1,则PH=,S△PCD=×2×=,
故正四棱锥的表面积为2×2+4×=4+4.
答案:4+4
15.如图,某种水箱用的“浮球”,是由两个半球和一个圆柱筒组成.已知球的直径是6 cm,圆柱筒长2 cm.要在这样2 500个“浮球”表面涂一层胶质,如果每平方米需要涂胶100 g,共需胶多少?
解:根据题意,上、下两个半球的表面积为S球表=4πR2=4×π×9=36π cm2,而“浮球”的圆柱筒侧面积S圆柱侧=2πRh=2×π×3×2=12π cm2,
∴1个“浮球”的表面积S==π m2,
∴2 500个“浮球”的表面积的和为2 500×π=12π m2,
∵每平方米需要涂胶100 g,
∴总共需要胶的质量为100×12π=1 200π g.
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$$
[基础过关]
1.底面边长和高都是1的正三棱柱的表面积是( )
A.3 B.
C.3+ D.3+
解析:D [表面积为2××1×1×+3×1×1=+3.]
2.用一个宽2 cm、长3 cm的矩形卷一个圆柱,则此圆柱的侧面积为 ________ cm2.( )
A.5 B.6 C.8 D.12
解析:B [用一个宽2 cm、长3 cm的矩形卷一个圆柱,所以此圆柱的侧面积为矩形的面积2×3=6 cm2.]
3.棱长都是3的正四面体的表面积为( )
A.9 B.6 C.3 D.54
解析:A [因为正四面体的棱长为3,所以正四面体的表面积为4××32=9.]
4.已知正四棱锥的底面边长为6,侧棱长为5,则此棱锥的侧面积为( )
A.6 B.12 C.24 D.48
解析:D [正四棱锥的底面边长为6,侧棱长为5,则其斜高h′==4,所以正四棱锥的侧面积S=×4×6×4=48.]
5.若圆锥的轴截面(过圆锥轴的一个截面)是一个边长为2的等边三角形,则该圆锥的侧面积为( )
A.π B.2π C.3π D.4π
解析:B [由题意,得圆锥的母线长为2,底面半径为1,底面周长为2π,则该圆锥的侧面积为×2π×2=2π.]
6.棱长为1的正方体的内切球的表面积为 ________ .
解析:由题意可知,内切球半径r=,则S表=4πr2=π.
答案:π
7.已知直棱柱的底面周长为12,高为4,则这个棱柱的侧面积等于 ________ .
解析:因为直棱柱的底面周长为12,高为4,
所以这个棱柱的侧面积为12×4=48.
答案:48
8.一个棱柱的侧面展开图是三个全等的矩形,矩形的长和宽分别为5 cm,4 cm,则该棱柱的侧面积为 ________ cm2.
解析:棱柱侧面展开图的面积即为棱柱的侧面积
∴棱柱的侧面积为3×5×4=60 cm2.
答案:60.
9.若长方体的三个面的面积分别是 cm2, cm2, cm2,求:
(1)长方体的体对角线的长;
(2)长方体的表面积.
解:(1)设长方体的长,宽,高分别为a cm,b cm,c cm,如图.
令解得
∵BD=DD+BD2=DD+AD2+AB2
=a2+b2+c2=6,∴BD1= cm,
∴该长方体的体对角线长为 cm.
(2)S表=(2+2+2)cm2.
[能力提升]
10.各棱长均为a的三棱锥的表面积为( )
A.4a2 B.3a2
C.a2 D.2a2
解析:C [由题意可知三棱锥是正四面体,各个三角形的边长为a,三棱锥的表面积就是四个全等三角形的面积,即4×a2=a2,所以C选项是正确的.]
11.已知矩形的长为6π、宽为2π,将该矩形卷成圆柱的侧面,那么圆柱的底面积为( )
A.9π B.π
C.9π或π D.3π或π
解析:C [设底面半径为r,则2πr=6π或2πr=2π,解得r=3或r=1.故圆柱的底面积为9π或π.]
12.轴截面是正三角形的圆锥称作等边圆锥,则等边圆锥的侧面积是底面积的( )
A.4倍 B.3倍
C.倍 D.2倍
解析:D [设轴截面正三角形的边长为2a,
∴S底=πa2,S侧=πa×2a=2πa2,∴S侧=2S底.]
13.已知圆锥的底面半径为1,其侧面展开图是一个圆心角为120°的扇形,则该圆锥的表面积为( )
A.2π B.3π C.4π D.5π
解析:C [设圆锥的母线长为l,则l·=2π,解得l=3,则该圆锥的表面积为π×3×1+π×12=4π.]
14.底面边长和高都为2的正四棱锥的表面积为 ________ .
解析:如图所示,PO=2,OH=1,则PH=,S△PCD=×2×=,
故正四棱锥的表面积为2×2+4×=4+4.
答案:4+4
15.如图,某种水箱用的“浮球”,是由两个半球和一个圆柱筒组成.已知球的直径是6 cm,圆柱筒长2 cm.要在这样2 500个“浮球”表面涂一层胶质,如果每平方米需要涂胶100 g,共需胶多少?
解:根据题意,上、下两个半球的表面积为S球表=4πR2=4×π×9=36π cm2,而“浮球”的圆柱筒侧面积S圆柱侧=2πRh=2×π×3×2=12π cm2,
∴1个“浮球”的表面积S==π m2,
∴2 500个“浮球”的表面积的和为2 500×π=12π m2,
∵每平方米需要涂胶100 g,
∴总共需要胶的质量为100×12π=1 200π g.
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素养解读
1.知道棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和球的表面积的计算公式;
2.能用公式解决简单的实际问题
通过计算棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和球的表面积,培养数学运算素养,通过求表面积过程中对几何体特征的判断,提升直观想象素养
问题:求一个几何体的表面积时,一般要应用到这个几何体的平面展开图,其平面展开图一定相同吗?其表面积是否确定?
提示:对于一个几何体,不同的展开方式,其平面展开图是不同的,但其表面积是唯一确定的.
[知识点一] 多面体的表面积
(1)多面体的表面积就是围成多面体 各个面 的面积的和.
(2)棱柱、棱锥的表面积分别等于它们的 侧面积 与 底面积 之和.
1.长方体、正方体的表面积公式是什么?
提示:(1)长方体是特殊的直棱柱,设长方体的长、宽、高分别为a,b,c,则长方体的表面积为S长方体表=2(ab+bc+ac).
(2)正方体的表面积为S正方体表=6a2(a为正方体的棱长).
[知识点二] 旋转体的表面积
圆柱
底面积:S底= πr2
侧面积:S侧=2πrl
表面积:S= 2πrl+2πr2
圆锥
底面积:S底= πr2
侧面积:S侧=πrl
表面积:S= πrl+πr2
球
表面积S球= 4πR2
2.球的表面是曲面吗?
提示:球的表面是曲面,不能在一个平面上展开,即使是球面上任意小的一块,也不能在一个平面上展开,因此球没有展开图.
1.已知某正方体的棱长为2,则该正方体的表面积为( )
A.24
B.20
C.10
D.11
解析:A [正方体的表面积S表=6×22=24.]
2.圆柱底面半径r=2,母线l=3,则圆柱的表面积是( )
A.8π
B.12π
C.16π
D.20π
解析:D [因为圆柱底面半径r=2,母线l=3,所以圆柱的表面积是2πr2+2πrl=8π+12π=20π.]
3.若一个球的直径为2,则此球的表面积为( )
A.2π
B.4π
C.8π
D.16π
解析:B [∵球的直径为2,∴球的半径为1,
∴球的表面积S=4πR2=4π.]
求多面体的表面积
已知棱长均为5,底面为正方形的四棱锥S-ABCD如图所示,求它的侧面积、表面积.
[思路点拨] 利用正棱锥侧面积和表面积公式求解.
[解] ∵四棱锥S-ABCD的各棱长均为5,
∴各侧面都是全等的正三角形.
设E为AB的中点,连接SE(图略),则SE⊥AB,
∴S侧=4S△SAB=4×eq \f(1,2)AB×SE=2×5×eq \r(52-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5,2)))2)=25eq \r(3),S表=S侧+S底=25eq \r(3)+25=25(eq \r(3)+1).
1.求多面体的表面积和侧面积二者不同,要分清二者区别.
2.棱锥的表面积计算常借助侧面三角形的高、侧棱及其在底面的射影与高、底面边长等构成的直角三角形求解.
[变式训练]
1.现有一个底面是菱形的直四棱柱,它的体对角线长为9和15,高是5,求该直四棱柱的侧面积.
解:如图,设底面对角线AC=a,
BD=b,交点为O,
对角线A1C=15,
B1D=9,
∴a2+52=152,b2+52=92,
∴a2=200,b2=56.
∵该直四棱柱的底面是菱形,
∴AB2=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(AC,2)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(BD,2)))2=eq \f(a2+b2,4)=eq \f(200+56,4)=64,
∴AB=8.
∴直四棱柱的侧面积S=4×8×5=160.
求旋转体的表面积
(1)已知圆柱的底面半径和高都是2,那么圆柱的侧面积是( )
A.4π
B.8π
C.12π
D.16π
[思路点拨] 利用圆柱的侧面积公式求解.
[解析] 因为圆柱的底面半径和高都是2,所以圆柱的侧面积S=2×π×2×2=8π.
[答案] B
(2)已知某圆锥的高为3,底面半径为eq \r(2),则该圆锥的侧面积为( )
A.eq \r(22)π
B.2eq \r(22)π
C.2π
D.6π
[思路点拨] 先求圆锥的母线,然后利用圆锥的侧面积公式求解.
[解析] 由题意得,该圆锥的侧面积为π×eq \r(2)×eq \r(32+2)=eq \r(22)π.
[答案] A
解决圆柱、圆锥的表面积问题,要利用好旋转体的轴截面及侧面展开图,借助于平面几何知识,求得所需几何要素,代入公式求解即可,基本步骤如下:
(1)得到空间几何体的平面展开图;
(2)依次求出各个平面图形的面积;
(3)将各平面图形的面积相加.
[变式训练]
2.正方形的边长为a,分别求正方形的内切球和外接球的表面积.
解:正方体的内切球的直径大小等于正方体的边长的大小,则内切球的半径r=eq \f(a,2),
故内切球的表面积S球=4πr2=πa2,
正方体的外接球的直径大小等于正方体的体对角线的大小(eq \r(3)a),则外接球的半径R=eq \f(\r(3)a,2),
故外接球的表面积S球=4πR2=3πa2.
组合体的表面积
如图所示,在边长为4的正三角形ABC中,E,F依次是AB,AC的中点,AD⊥BC,EH⊥BC,FG⊥BC,D,H,G为垂足,若将正三角形ABC绕AD旋转180°,求阴影部分形成的几何体的表面积.
[思路点拨] 先分析组合体表面积由哪些图形组成,然后利用面积公式求解.
[解] 由题意知,旋转后的几何体是一个圆锥,从下面挖去一个圆柱,且圆锥的底面半径为2,高为2eq \r(3),圆柱的底面半径为1,高为eq \r(3).
所求旋转体的表面积由三部分组成:圆锥的底面、侧面,圆柱的侧面.
S圆锥底面=4π,S圆锥侧=8π,S圆柱侧=2eq \r(3)π,
故所求几何体的表面积为:
4π+8π+2eq \r(3)π=12π+2eq \r(3)π.
求组合体的表面积.首先要认清组合体是由哪些简单几何体构成的,组合体的表面积是可见的围成组合体的所有面的面积之和,但不一定是组合体的几个简单几何体的表面积之和.
[变式训练]
3.一个正四棱柱的各个顶点都在一个半径为2 cm的球面上,如果正四棱柱的底面边长为2 cm,那么该棱柱的表面积为( )
A.(2+4eq \r(2))cm2
B.(8+16eq \r(2))cm2
C.(4+8eq \r(2))cm2
D.(16+32eq \r(2))cm2
解析:B [∵一个正四棱柱的各个顶点都在一个半径为2 cm的球面上,正四棱柱的底面边长为2 cm,球的直径为正四棱柱的体对角线,∴正四棱柱的体对角线长为4 cm,正四棱柱的底面对角线长为2eq \r(2) cm,∴正四棱柱的高为eq \r(16-8)=2eq \r(2)(cm),
∴该棱柱的表面积为2×22+4×2×2eq \r(2)
=8+16eq \r(2)(cm2).]
1.圆锥的侧面展开图是( )
A.长方形
B.扇形
C.圆
D.三角形
解析:B [如图,圆锥的侧面展开图是一个扇形.]
2.棱长均为1的正四面体的表面积是( )
A.eq \r(3)
B.eq \r(3)+1
C.2eq \r(3)
D.2eq \r(3)+1
解析:A [如图,由正四面体的概念可知,其四个面均是全等的等边三角形,由其棱长为1得,S△ABC=eq \f(1,2)AB·AC·sin 60°=eq \f(\r(3),4),所以正四面体的表面积为4S△ABC=eq \r(3).]
3.一个正方体的顶点都在球面上,它的棱长为1 cm,则球的表面积是( )
A.π cm2
B.2π cm2
C.3π cm2
D.4π cm2
解析:C [球的半径r=eq \f(1,2)
eq \r(12+12+12)=eq \f(\r(3),2),则S表=4πr2=3π(cm2).]
4.圆柱的底面半径为3,母线为4,则侧面积为 ________ .
解析:S侧=2πrl=2π×3×4=24π.
答案:24π
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