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微专题24球的切、接问题
高考定位空间几何体的外接球、内切球是高中数学的重点、难点,也是高考命题的热点,难度较大,一般出现在压轴小题的位置.
【真题体验】
1.(2021·全国甲卷)已知A,B,C是半径为1的球O的球面上的三个点,且AC⊥BC,AC=BC=1,则三棱锥O-ABC的体积为()
A.eq\f(\r(2),12) B.eq\f(\r(3),12)
C.eq\f(\r(2),4) D.eq\f(\r(3),4)
答案A
解析如图所示,因为AC⊥BC,所以AB为截面圆O1的直径,且AB=eq\r(2).
连接OO1,
则OO1⊥平面ABC,OO1=eq\r(OA2-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(AB,2)))\s\up12(2))=eq\r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))\s\up12(2))=eq\f(\r(2),2),
所以三棱锥O-ABC的体积V=eq\f(1,3)S△ABC·OO1=eq\f(1,3)×eq\f(1,2)×1×1×eq\f(\r(2),2)=eq\f(\r(2),12).
2.(2022·新高考Ⅱ卷)已知正三棱台的高为1,上、下底面边长分别为3eq\r(3)和4eq\r(3),其顶点都在同一球面上,则该球的表面积为()
A.100π B.128π
C.144π D.192π
答案A
解析由题意,得正三棱台上、下底面的外接圆的半径分别为eq\f(2,3)×eq\f(\r(3),2)×3eq\r(3)=3,eq\f(2,3)×eq\f(\r(3),2)×4eq\r(3)=4.
设该棱台上、下底面的外接圆的圆心分别为O1,O2,连接O1O2(图略),则O1O2=1,其外接球的球心O在直线O1O2上.
设球O的半径为R,当球心O在线段O1O2上时,R2=32+OOeq\o\al(2,1)=42+(1-OO1)2,
解得OO1=4(舍去);
当球心O不在线段O1O2上时,
R2=42+OOeq\o\al(2,2)=32+(1+OO2)2,
解得OO2=3,所以R2=25,
所以该球的表面积为4πR2=100π.
3.(2022·全国乙卷)已知球O的半径为1,四棱锥的顶点为O,底面的四个顶点均在球O的球面上,则当该四棱锥的体积最大时,其高为()
A.eq\f(1,3) B.eq\f(1,2)
C.eq\f(\r(3),3) D.eq\f(\r(2),2)
答案C
解析该四棱锥的体积最大,即以底面外接圆和顶点O组成的圆锥体积最大,
设圆锥的高为h(0h1),底面半径为r,
则圆锥的体积V=eq\f(1,3)πr2h=eq\f(1,3)π(1-h2)h,
则V′=eq\f(1,3)π(1-3h2),
令V′=eq\f(1,3)π(1-3h2)=0,得h=eq\f(\r(3),3),
所以V=eq\f(1,3)π(1-h2)h在eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(\r(3),3)))上单调递增,
在eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),3),1))上单调递减,
所以当h=eq\f(\r(3),3)时,四棱锥的体积最大,故选C.
4.(2023·全国甲卷)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F分别为AB,C1D1的中点.以EF为直径的球的球面与该正方体的棱共有________个公共点.
答案12
解析如图,线段EF过正方体的中心,
所以以EF为直径的球的球心即正方体的中心,
球的半径为eq\f(EF,2),而正方体的中心到每一条棱的距离均为eq\f(EF,2),
所以以EF为直径的球与每一条棱均相切,
所以共有12个公共点.
【热点突破】
热点一空间几何体的外接球
正方体、长方体外接球
1.正方体的外接球的球心为其体对角线的中点,半径为体对角线长的一半.
2.长方体的外接球的球心为其体对角线的中点,半径为体对角线长的一半.
3.补成长方体(墙角模型)
(1)若三棱锥的三条侧棱两两互相垂直,则可将其放入某个长方体内,如图1所示.
(2)若三棱锥的四个面均是直角三角形,则此时可构造长方体,如图2所示.
(3)正四面体P-ABC可以补形为正方体,如图3所示.
(4)若三棱锥的对棱两两相等,则可将其放入某个长方体内,如图4所示.
例1(1)已知三棱锥P-ABC的四个顶点在球O的球面上,PA=PB=PC,△ABC是边长为2的正三角形,E,F分别是PA,AB的中点,∠CEF=90°,则球O的体积为()
A.8eq\r(6)π B.
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