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专题:立体几何之外接球与内切球——七大题型解析版
一?知识导图
二?基础知识
(1)、有关定义
1.球的定义:空间中到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫球面,简称球.
2.外接球的定义:若一个多面体的各个顶点都在一个球的球面上,则称这个多面体是这个球的内接多面体,这个球是这个多面体的外接球.
3.内切球的定义:若一个多面体的各面都与一个球的球面相切,则称这个多面体是这个球的外切多面体,这个球是这个多面体的内切球.
(2)、外接球的有关知识与方法
1.性质:
性质1:过球心的平面截球面所得圆是大圆,大圆的半径与球的半径相等;
性质2:经过小圆的直径与小圆面垂直的平面必过球心,该平面截球所得圆是大圆;
性质3:过球心与小圆圆心的直线垂直于小圆所在的平面(类比:圆的垂径定理);
性质4:球心在大圆面和小圆面上的射影是相应圆的圆心;
性质5:在同一球中,过两相交圆的圆心垂直于相应的圆面的直线相交,交点是球心(类比:在同圆中,两相交弦的中垂线交点是圆心).
2.结论:
结论1:长方体的外接球的球心在体对角线的交点处,即长方体的体对角线的中点是球心;
结论2:若由长方体切得的多面体的所有顶点是原长方体的顶点,则所得多面体与原长方体的外接球相同;
结论3:长方体的外接球直径就是面对角线及与此面垂直的棱构成的直角三角形的外接圆圆心,换言之,就是:底面的一条对角线与一条高(棱)构成的直角三角形的外接圆是大圆;
结论4:圆柱体的外接球球心在上下两底面圆的圆心连一段中点处;
结论5:圆柱体轴截面矩形的外接圆是大圆,该矩形的对角线(外接圆直径)是球的直径;
结论6:直棱柱的外接球与该棱柱外接圆柱体有相同的外接球;
结论7:圆锥体的外接球球心在圆锥的高所在的直线上;
结论8:圆锥体轴截面等腰三角形的外接圆是大圆,该三角形的外接圆直径是球的直径;
结论9:侧棱相等的棱锥的外接球与该棱锥外接圆锥有相同的外接球.
3.方法:勾股定理、正定理及余弦定理(解三角形求线段长度);
4.模型:
类型一、墙角模型
长方体的外接球(三条棱两两垂直,不找球心的位置即可求出球半径)
方法:找三条两两垂直的线段,直接用公式,即,求出
类型二、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(,,)
第一步:画出一个长方体,标出三组互为异面直线的对棱;
第二步:设出长方体的长宽高分别为,,
,,
列方程组,,
补充:图2-1中,.
第三步:根据墙角模型,,,
,求出.
类型三、汉堡模型(直棱柱的外接球、圆柱的外接球)
题设:如图3-1,图3-2,图3-3,直三棱柱内接于球(同时直棱柱也内接于圆柱,棱柱的上下底面可以是任意三角形)
第一步:确定球心的位置,是的外心,则平面;
第二步:算出小圆的半径,(也是圆柱的高);
第三步:勾股定理:,解出
(3)、内切球的有关知识与方法
1.若球与平面相切,则切点与球心连线与切面垂直.(与直线切圆的结论有一致性).
2.内切球球心到多面体各面的距离均相等,外接球球心到多面体各顶点的距离均相等.(类比:与多边形的内切圆).
3.正多面体的内切球和外接球的球心重合.
4.正棱锥的内切球和外接球球心都在高线上,但不一定重合.
5.基本方法:
体积分割是求内切球半径的通用做法(等体积法).
三?题型专练
(1)柱体的外接球
1.直三棱柱的各条棱长均为2,为棱中点,则点到直三棱柱的外接球球心的距离是(???)
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】由题意,设上、下底面正三角形的中心为,取的中点,连接,如下图:
易知点为三棱柱的外接球球心,且平面,
因为平面,所以,
在正中,,易知,
在中,.
故选:B.
2.已知正三棱柱的所有棱长均为,且该棱柱的所有顶点均在球的表面上,点在球的表面上,点在棱柱的表面上,点在棱柱的底面上,则的最大值为(????)
A. B. C. D.
【答案】A
【详解】由题意可得点为三棱柱上、下底面的外接圆圆心连线的中点.
易得两个底面的外接圆半径,
所以球的半径,
所以的最大值为,的最小值为,
所以的最大值为.
故选:A.
3.在正四棱柱中,,,设四棱柱的外接球的球心为,动点在正方形的边上,射线交球的表面于点,现点从点出发,沿着运动一次,则点经过的路径长为(???)
A. B. C. D.
【答案】A
【详解】因为正四棱柱外接球的直径为其体对角线的长,
故(为正四棱柱外接球的半径).
所以.
所以为等边三角形,所以.
所以劣弧的长为:.
所以点经过的路径长为:.
故选:A
4.已知直三棱柱的各顶点都在同一个球面上,,,,,的中点分别为,,则直线被该球面截得的弦长为(????)
A. B. C. D.
【答案】A
【详解】将直三棱柱扩展为一
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