長(zhǎng)春 林逸凡
立體幾何中的球類模型問(wèn)題
長(zhǎng)春 林逸凡
球與多面體的內(nèi)接外切問(wèn)題是立體幾何中一類常見(jiàn)的特殊題型,球類問(wèn)題有著自身獨(dú)特的解題方法和數(shù)學(xué)思想.近年來(lái),在各地的高考題與模擬題中,球類模型問(wèn)題頻頻出現(xiàn),越來(lái)越受到命題者的青睞.本文展示了球類模型問(wèn)題的幾種常見(jiàn)題型,并歸納解決相應(yīng)問(wèn)題的常見(jiàn)解題思路與技巧.
【例1】半徑為4的球的兩條弦AB、CD的長(zhǎng)度分別等于,M、N分別為AB、CD的中點(diǎn),每條弦的兩端都在球面上運(yùn)動(dòng),有下列四個(gè)命題:①弦AB、CD可能相交于點(diǎn)M;②弦AB、CD可能相交于點(diǎn)N;③MN的最大值為5;④MN的最小值為1.其中真命題的個(gè)數(shù)為 ( )
A.1個(gè) B.2個(gè) C.3個(gè) D.4個(gè)
【解析】當(dāng)弦AB、CD相交時(shí),則在一個(gè)截面圓上,由于AB<CD,所以弦AB、CD可能相交于點(diǎn)M,弦AB、CD不可能相交于點(diǎn)N.故①是真命題;②是假命題;連接OM、ON,當(dāng)OMN為三角形時(shí),由于OM+ON>MN,OMON<MN,所以,當(dāng)MN共線且在球心O的不同側(cè)時(shí),MN取得最大值5;當(dāng)MN共線且在球心O的同側(cè)時(shí),MN取得最小值1.故③④為真命題.
【點(diǎn)評(píng)】解決球類模型的截面問(wèn)題時(shí),通常策略是“化立體為平面”,確定截面所確定的圓面的半徑,將“截面與球”的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為“大圓與弦”的問(wèn)題.
球心到截面的距離d與球半徑R及截面圓的半徑r有下面關(guān)系:.
【變式】已知過(guò)球面上三點(diǎn)A、B、C的截面和球心的距離等于球半徑的一半,且AB=BC=CA=1,則該球的半徑是 ( )
【例2】在半徑為R的球內(nèi)做內(nèi)接圓柱,則內(nèi)接圓柱全面積的最大值是 ( )
【變式】一個(gè)高為16的圓錐內(nèi)接于一個(gè)體積為972π的球,在圓錐內(nèi)又有一個(gè)內(nèi)切球.
求:(Ⅰ)圓錐的側(cè)面積;
(Ⅱ)圓錐的內(nèi)切球的體積.
【解析】(Ⅰ)如圖所示,作軸截面,則等腰三角形CAB內(nèi)接于⊙O,⊙O1內(nèi)切于△CAB,
【例3】設(shè)棱錐M-ABCD的底面是正方形,且MA=MD,MA⊥AB,如果△AMD的面積為1,試求能夠放入這個(gè)棱錐的最大球的半徑.
【解析】因?yàn)锳B⊥AD,AB⊥AM,
所以AB⊥平面MAD.
所以平面MAD⊥平面ABCD,
設(shè)E是AD的中點(diǎn),從而ME⊥AD.
所以ME⊥平面ABCD,ME⊥EF,
能夠放入這個(gè)棱錐的最大球?yàn)榕c平面MAD、平面ABCD、平面MBC相切的球,
不妨設(shè)O∈平面MEF,
于是O是△MEF的內(nèi)心.設(shè)球O的半徑為r,
【變式】正四面體的棱長(zhǎng)為3,則它的外接球的表面積等于 ( )
【例4】一個(gè)球與一個(gè)正三棱柱的三個(gè)側(cè)面和兩個(gè)底面都相切,已知這個(gè)球的體積為36π,那么這個(gè)正三棱柱的體積是 ( )
【解析】球半徑為R=3,正三棱柱的高即為2R=6,將正三棱柱攔腰橫切一刀,球的截面為一個(gè)大圓,正三棱柱的截面為正三角形,大圓是正三角形的內(nèi)切圓,故正三角形的邊長(zhǎng)為,從而得正三棱柱的體積是.
【點(diǎn)評(píng)】射影法,作球心到其中一個(gè)面的射影,則相應(yīng)的線段應(yīng)與面垂直,而球心與頂點(diǎn)連線即為外接球半徑,設(shè)出未知數(shù),列方程求解.正棱柱是上下底面都是正多邊形的直棱柱,故外接球心在底面的射影應(yīng)為正多邊形的中心,對(duì)于多邊形的邊為偶數(shù)條的情況,如正四棱柱、正六棱柱,由對(duì)稱性,外接球心即為上下底面相對(duì)四個(gè)頂點(diǎn)連出的矩形的對(duì)角線長(zhǎng)的一半;對(duì)于多邊形的邊為奇數(shù)條的情況,如正三棱柱、正五棱柱,可連接外接球心與底面中心,該線段長(zhǎng)即為棱柱高的一半,再連接球心與一個(gè)頂點(diǎn),該長(zhǎng)度即為外接球的半徑,利用勾股定理列方程求解.
【變式2】一個(gè)正六棱柱的各個(gè)頂點(diǎn)都在一個(gè)球的表面上,這個(gè)六棱柱的側(cè)棱長(zhǎng)是它的底面的邊長(zhǎng)a的2倍,則該球的半徑為_(kāi)______.
【解析】由對(duì)稱性,外接球心即為上下底面相對(duì)四個(gè)頂點(diǎn)連出的矩形的對(duì)角線長(zhǎng)的一半,底外接圓的直徑為2a,側(cè)棱長(zhǎng)2a,故該球的半徑是邊長(zhǎng)為2a的正方形的對(duì)角線長(zhǎng)的一半,即.
【例5】直三棱柱ABC-A1B1C1的各頂點(diǎn)都在同一球面上,若AB=AC=AA1=2,∠BAC=120°,則此球的表面積等于_______.
【解析】因?yàn)锳B=AC,∠BAC=120°,A,B,C可看作一個(gè)正六邊形的三個(gè)頂點(diǎn),故可將這個(gè)直三棱柱ABCA1B1C1補(bǔ)形,裝回到一個(gè)正六棱柱中,二者的外接球是一樣的,轉(zhuǎn)化為求正六棱柱的外接球半徑.由對(duì)稱性,外接球心即為上下底面相對(duì)四個(gè)頂點(diǎn)連出的矩形的對(duì)角線長(zhǎng)的一半,底外接圓的直徑為4,側(cè)棱長(zhǎng)2,故矩形的對(duì)角線長(zhǎng)為,外接球半徑為,表面積等于20π.
【點(diǎn)評(píng)】補(bǔ)形法,將多面體嵌入到形狀更對(duì)稱、且具有相同的外接球的長(zhǎng)方體、正棱柱中去,再轉(zhuǎn)用第四種策略求解.
【變式】若三棱錐的三條側(cè)棱兩兩垂直,且側(cè)棱長(zhǎng)均為,則其外接球的表面積是_______.
【解析】法一(補(bǔ)形法):裝回到邊長(zhǎng)為的立方體中,易得立方體體對(duì)角線為3,從而外接球的半徑,從而表面積是9π.
【例6】三個(gè)半徑為1的球,兩兩相切放置于水平桌面上,在三球中間上方再放上一個(gè)半徑為2的球,則其最高點(diǎn)距離桌面的距離為 ( )
【點(diǎn)評(píng)】“擒賊先擒王”,解球抓球心,先抓住球心之間的位置關(guān)系,再轉(zhuǎn)為球與球、球與面之間的關(guān)系.球與球外切時(shí),球心之間的線段的長(zhǎng)度為兩球的半徑之和,當(dāng)多個(gè)球相切時(shí),則球心的連線可構(gòu)成多面體.
【變式】半徑為R的球內(nèi)部裝有4個(gè)半徑為r的小球,則小球半徑r的最大值是 ( )
【解析】將4個(gè)小球的球心連接起來(lái)夠成一個(gè)正四面體,
O1在底面O2O3O4上的射影設(shè)為H,則大球的球心O顯然在O1H上,如圖所示.
(作者單位:吉林省長(zhǎng)春市吉大附中實(shí)驗(yàn)學(xué)校)