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球的外切问题

球的外切问题

作者: 天马无空 | 来源:发表于2021-03-08 17:41 被阅读0次

类型二 球的外切问题

使用情景:有关球的外切问题
解题步骤:

第一步 首先画出球及它的外切圆柱、圆锥等几何体,它们公共的轴截面;
第二步 然后寻找几何体与几何体之间元素的关系
第三步 得出结论.
【例1】. 正三棱锥P-ABC的侧棱长为l,两侧棱的夹角为2\alpha,求它的外接球的体积.

【解】


如图,作PD\bot底面ABCD,则D为正\triangle ABC的中心.

因为OD\bot底面ABC,所以OPD三点共线

因为PA=PB=PC=l\angle APB=2\alpha.

所以AB=\sqrt{2l^2-2l^2\cos 2\alpha}=2l\sin \alpha

所以AD=\dfrac{\sqrt{3}}{3}AB=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}\sin \alpha

\angle APD=\beta,作OE \bot PAE

Rt\triangle APD中,因为\sin \beta=\dfrac{AD}{PA}=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}\sin \alpha

OP=OA=R,所以PE=\dfrac{1}{2}PA=\dfrac{1}{2}l

Rt\triangle POE中,R=PO=\dfrac{PE}{\cos \beta}=\dfrac{\dfrac{1}{2}}{\sqrt{1-\dfrac{4}{3}\sin^2 \alpha}}

所以V_{球}=\dfrac{4}{3}\pi\left[\dfrac{\dfrac{1}{2}}{\sqrt{1-\dfrac{4}{3}\sin^2 \alpha}}\right]^3=\dfrac{\sqrt{3}\pi l^3\sqrt{3-4\sin^2 \alpha}}{2(3-4\sin^2 \alpha)}
【总结】解决与球有关的接、切问题时,一般作一个适当的截面,将问题转化为平面问题解决,这类截面通常指圆锥的轴截面、球的大圆、多面体的对角面等,在这个截面中应包括每个几何体的主要元素,且这个截面必须能反映出体和体之间的主要位置关系和数量关系.求球半径,是解本题的关键.

【例2】、正四棱锥的顶点都在同一球面上,若该棱锥的高为4,底面边长为2,则该球的体积为( )
A.\dfrac{243\pi}{16}

B.\dfrac{81\pi}{16}

C.\dfrac{81\pi}{4}

D.\dfrac{27\pi}{4}

【答案】A

【解析】

如图所示,设底面ABCD的中心为O_1

PO_1是正四棱锥P-ABCD的高,

PO_1=4AB=2AO_1=\dfrac{1}{2}AC=\sqrt{2}

设球心为O,则O一定在线段PO_1上,连接OA

设球的半径为R,在Rt\triangle OAO_1中,

OA^2=O_1A^2+OO_1^2,即R^2=2+(4-R)^2

解得R=\dfrac{9}{4}

所以V=\dfrac{4}{3}\times \left(\dfrac{9}{4}\right)^3=\dfrac{243\pi}{16}

故选A.

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