高考文科数学中的内切球和外接球问题---专题练习

内切球和外接球问题如果一个多面体的各个顶点都在同一个球面上，那么称这个多面体是球的内接多面体，这个球称为多面体的外接球.有关多面体外接球的问题，是立体几何的一个重点，也是高考考查的一个热点.考查学生的空间想象能力以及化归能力.研究多面体的外接球问题，既要运用多面体的知识，又要运用球的知识，并且还要特别注意多面体的有关几何元素与球的半径之间的关系，而多面体外接球半径的求法在解题中往往会起到至关重要的作用.一、直接法(公式法)1、求正方体的外接球的有关问题例1（2006年广东高考题）若棱长为3的正方体的顶点都在同一球面上，则该球的表面积为______________.解析：要求球的表面积，只要知道球的半径即可.因为正方体内接于球，所以它的体对角线正好为球的直径，因此，求球的半径可转化为先求正方体的体对角线长，再计算半径.故表面积为27.例2一个正方体的各顶点均在同一球的球面上，若该正方体的表面积为24，则该球的体积为______________.解析：要求球的体积，还是先得求出球的半径，而球的直径正好是正方体的体对角线，因此，由正方体表面积可求出棱长，从而求出正方体的体对角线是23所以球的半径为3.故该球的体积为43.2、求长方体的外接球的有关问题例3（2007年天津高考题）一个长方体的各顶点均在同一球面上，且一个顶点上的三条棱长分别为1,2,3，则此球的表面积为.解析：关键是求出球的半径，因为长方体内接于球，所以它的体对角线正好为球的直径。长方体体对角线长为14，故球的表面积为14.例4、（2006年全国卷I）已知各顶点都在一个球面上的正四棱柱高为4，体积为16，则这个球的表面积为（）.A.16B.20C.24D.32解析：正四棱柱也是长方体。由长方体的体积16及高4可以求出长方体的底面边长为2，因此，长方体的长、宽、高分别为2，2，4，于是等同于例3，故选C.3.求多面体的外接球的有关问题例5.一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直于底面，已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上，且该六棱柱的体积为98，底面周长为３，则这个球的体积为.解设正六棱柱的底面边长为x，高为h，则有263,1,2936,384xxxhh．∴正六棱柱的底面圆的半径12r，球心到底面的距离32d.∴外接球的半径221Rrd.43V球.小结本题是运用公式222Rrd求球的半径的，该公式是求球的半径的常用公式.二、构造法(补形法)1、构造正方体例5（2008年福建高考题）若三棱锥的三条侧棱两两垂直，且侧棱长均为3，则其外接球的表面积是_______________.解析：此题用一般解法，需要作出棱锥的高，然后再设出球心，利用直角三角形计算球的半径.而作为填空题，我们更想使用较为便捷的方法，所以三条侧棱两两垂直，使我们很快联想到长方体的一个角，马上构造长方体，且侧棱长均相等，所以可构造正方体模型，如图1，则AC=BC=CD3，那么三棱锥的外接球的直径即为正方体的体对角线，故所求表面积是9.(如图1)例3若三棱锥的三个侧面两两垂直，且侧棱长均为3，则其外接球的表面积是.解据题意可知，该三棱锥的三条侧棱两两垂直，∴把这个三棱锥可以补成一个棱长为3的正方体，于是正方体的外接球就是三棱锥的外接球.设其外接球的半径为R，则有222223339R.∴294R.故其外接球的表面积249SR.小结一般地，若一个三棱锥的三条侧棱两两垂直，且其长度分别为abc、、，则就可以将这个三棱锥补成一个长方体，于是长方体的体对角线的长就是该三棱锥的外接球的直径.设其外接球的半径为R，则有2222Rabc.出现“墙角”结构利用补形知识，联系长方体。【原理】：长方体中从一个顶点出发的三条棱长分别为，则体对角线长为，几何体的外接球直径为体对角线长即【例题】：在四面体中，共顶点的三条棱两两垂直，其长度分别为，若该四面体的四个顶点在一个球面上，求这个球的表面积。解：因为：长方体外接球的直径为长方体的体对角线长所以：四面体外接球的直径为的长即：所以球的表面积为例6（2003年全国卷）一个四面体的所有棱长都为2，四个顶点在同一球面上，则此球的表面积为（）A.3B.4C.33D.6解析：一般解法，需设出球心，作出高线，构造直角三角形，再计算球的半径.在此，由于所有棱长都相等，我们联想只有正方体中有这么多相等的线段，所以构造一个正方体，再寻找棱长相等的四面体，如图2，四面体ABDE满足条件，即AB=AD=AE=BD=DE2BE，由此可求得正方体的棱长为1，体对角线为3，从而外接球的直径也为3，所以此球的表面积便可求得，故选A.(如图2)例7（2006年山东高考题）在等腰梯形ABCD中，AB=2DC=2，0DAB=60，E为ADCB图1DACBO图4ACBDO图AB的中点，将ADE与BEC分布沿ED、EC向上折起，使AB、重合于点P，则三棱锥P-DCE的外接球的体积为（）.A.4327B.62C.68D.624解析：（如图3）因为AE=EB=DC=1，0DAB=CBE=DEA=60，所以AE=EB=BC=DC=DE=CE=1AD，即三棱锥P-DCE为正四面体，至此，这与例6就完全相同了，故选C.例8（2008年浙江高考题）已知球O的面上四点A、B、C、D，DAABC平面，ABBC，DA=AB=BC=3，则球O的体积等于.解析：本题同样用一般方法时，需要找出球心，求出球的半径.而利用长方体模型很快便可找到球的直径，由于DAABC平面，ABBC，联想长方体中的相应线段关系，构造如图4所示的长方体，又因为DA=AB=BC=3，则此长方体为正方体，所以CD长即为外接球的直径，利用直角三角形解出CD=3.故球O的体积等于92.（如图4）2、构造长方体例9（2008年安徽高考题）已知点A、B、C、D在同一个球面上，BBCDA平面，BCDC，若6,AC=213,AD=8AB，则球的体积是.解析：首先可联想到例8，构造下面的长方体，于是AD为球的直径，O为球心，OB=OC=4为半径，要求B、C两点间的球面距离，只要求出BOC即可，在RtABC中，ABEDCDCEP图3求出=4BC，所以0C=60BO，故B、C两点间的球面距离是43.（如图5）本文章在给出图形的情况下解决球心位置、半径大小的问题。三.多面体几何性质法例2已知各顶点都在同一个球面上的正四棱柱的高为4，体积为16，则这个球的表面积是A.16B.20C.24D.32解设正四棱柱的底面边长为x，外接球的半径为R，则有2416x，解得2x.∴222222426,6RR　　.∴这个球的表面积是2424R.选C.小结本题是运用“正四棱柱的体对角线的长等于其外接球的直径”这一性质来求解的.四.寻求轴截面圆半径法例4正四棱锥SABCD的底面边长和各侧棱长都为2，点SABCD、、、、都在同一球面上，则此球的体积为.解设正四棱锥的底面中心为1O，外接球的球心为O，如图1所示.∴由球的截面的性质，可得1OOABCD平面.又1SOABCD平面，∴球心O必在1SO所在的直线上.∴ASC的外接圆就是外接球的一个轴截面圆，外接圆的半径就是外接球的半径.在ASC中，由22SASCAC，，得222SASCAC.∴ASCAC是以为斜边的Rt.∴12AC是外接圆的半径，也是外接球的半径.故43V球.小结根据题意，我们可以选择最佳角度找出含有正棱锥特征元素的外接球的一个轴截面圆，于是该圆的半径就是所求的外接球的半径.本题提供的这种思路是探求正棱锥外接球半径的通解通法，该方法的实质就是通过寻找外接球的一个轴截面圆，从而把立体几何问题转化为平面几何问题来研究.这种等价转化的数学思想方法值得我们学习.五.确定球心位置法CDABSO1图3例5在矩形ABCD中，4,3ABBC，沿AC将矩形ABCD折成一个直二面角BACD，则四面体ABCD的外接球的体积为A.12512B.1259C.1256D.1253解设矩形对角线的交点为O，则由矩形对角线互相平分，可知OAOBOCOD.∴点O到四面体的四个顶点ABCD、、、的距离相等，即点O为四面体的外接球的球心，如图2所示.∴外接球的半径52ROA.故3412536VR球.选C.出现两个垂直关系，利用直角三角形结论。【原理】：直角三角形斜边中线等于斜边一半。球心为直角三角形斜边中点。【例题】：已知三棱锥的四个顶点都在球的球面上，且，，，,求球的体积。解：且，，，,因为所以知所以所以可得图形为：在中斜边为在中斜边为取斜边的中点，在中在中CAODB图4所以在几何体中，即为该四面体的外接球的球心所以该外接球的体积为【总结】斜边一般为四面体中除了直角顶点以外的两个点连线。1.（陕西•）一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上，其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上，则该正三棱锥的体积是（）A．433B．33C．43D．1232.直三棱柱111ABCABC的各顶点都在同一球面上，若12ABACAA,120BAC，则此球的表面积等于。3．正三棱柱111ABCABC内接于半径为2的球，若,AB两点的球面距离为，则正三棱柱的体积为．4.表面积为23的正八面体的各个顶点都在同一个球面上，则此球的体积为A．23B．13C．23D．2235.已知正方体外接球的体积是332，那么正方体的棱长等于（）A.22B.332C.324D.3346.（2006山东卷）正方体的内切球与其外接球的体积之比为()A.1∶3B.1∶3C.1∶33D.1∶97.（2008海南、宁夏）一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直底面．已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上，且该六棱柱的体积为98，底面周长为3，则这个球的体积为．8.（2007天津）一个长方体的各顶点均在同一球的球面上，且一个顶点上的三条棱的长分别为1，2，3，则此球的表面积为．9.（2007全国Ⅱ）一个正四棱柱的各个顶点在一个直径为2cm的球面上。如果正四棱柱的底面边长为1cm，那么该棱柱的表面积为cm2.10.（2006辽宁）如图，半径为2的半球内有一内接正六棱锥PABCDEF，则此正六棱锥的侧面积是________．11.（辽宁省抚顺一中2009届高三数学上学期第一次月考）棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上，若过该球球心的一个截面如图，则图中三角形(正四面体的截面)的面积是.12.（2009枣庄一模）一个几何体的三视图如右图所示，则该几何体外接球的表面积为（）A．3B．2C．316D．以上都不对13.(吉林省吉林市2008届上期末)设正方体的棱长为233，则它的外接球的表面积为（）A．38B．2πC．4πD．34答案C1、答案B2、解:在ABC中2ABAC,120BAC,可得23BC,由正弦定理,可得ABC外接圆半径r=2,设此圆圆心为O，球心为O，在RTOBO中，易得球半径5R，故此球的表面积为2420R.3、答案84、答案A【解析】此正八面体是每个面的边长均为a的正三角形，所以由238234a知，1a，则此球的直径为2，故选A。5、答案D6、答案C7.答案348.答案14π9.答案24210.答案6711.答案212.答案C13.答案CABCPDEF