内切球与外接球习题讲义教师版

1、如图1所示，正方体ABCD ABGDi,设正方体的棱长为a，E,F,H,G为 棱的中点5 0为球的球心。常见组合方式有三类：一是球为正方体的内切球，截面图为正方形EFHG和其 内切圆，则OJ r I ；二是与正方体各棱相切的球，截面图为正方形EFHG和其外接圆，则OG R 彳 a ；三是球为正方体的外接球，截面图为长方形ACCA和其外接圆，则例1棱长为1的正方体ABCD A3GDi的8个顶点都在球。的表面上，AO R2通过这三种类型可以发现，解决正方体与球的组合问题，常用工具是截E，F分别是棱AA- D）的中点，则直线EF被球。截得的线段长为（）A.二 B , 1 C, 1 匚D. 222&#

2、163; :白题直可夷1,球为正左依臼外榕竦-口旨面弄得II血的半艳FE !_袁丫郎匚-能礴加剧稿牺缱直龊言寸2!=应. 221.2球与长方体长方体各顶点可在一个球面上，故长方体存在外切球.但是不一定存在内切球.设长方体的棱长为a, b,c,其体对角线为I .当球为长方体的外接球时，截面图为长方体的对角面和其外接圆，和正方体的外接球的道理是样的,故球的半径R± 铲至心一 22面图，即根据组合的形式找到两个几何体的轴截面，通过两个截面图的位置关系，确定好正方体的棱与球的半径的关系，进而将空间问题转化为平立体几何中的“内切”与“外接”问题的探究面问题1球与柱体规则的柱体，如正方体、长方体

3、、正棱柱等能够和球进行充分的组合，以外接和内切两种形态进行结合，通过球的半径和棱柱的棱产生联系，然后考查几何体的体积或者表面积等相关问题.1-1球与正方体例2在长、宽、高分别为2,2,4的长方体内有一个半径为1的球，任意例3正摆动此长方体，则球经过的空间部分的体积为（）10n8n7nA.3B.4nC.D/3a羞用辞h的视点分析在小琪楞动捕讨程中，涉寸部分的J1何体.因半碎冷J的：卜璨拾呼苦榕仪向2的：F知强的K）切球-故或逸过空间由上柱下看九半牛小球、高次2的II胜和半十小球三韶£的康IJ同为KVK±XS-|-7lxlJ3231.3球与正棱柱故刚面积有最大值”冲4旋衣*当且

4、1又当a=Ci时等号咸立.球与一般的正棱柱的组合体，常以外接形态居多。下面以正三棱柱为例，介绍本类题目的解法一一构造直角三角形法。设正三棱柱ABCABG的高为h，底面边长为a，如图2所示，D和Di分别为上下底面的中心。根据几规何体的特点，球心必落在高DDi的中点。，OD2，a。r,ad£，借助直角三角形AOD的勾股定理，可求R四棱柱ABCDABiGDi的各顶点都在半径为R的球面上，则正四棱柱的侧面积有最值，为舄如圈典戳匠圈丸长芳形£。召口和具夕2溷.球心KJE禺的中点则尺二QA设正四棱狂的恻棱长两占.庶面诅长初谟，则=£tr=(,Ct)A2球与锥体则的锥体，如正四

5、面体、正棱锥、特殊的一些棱锥等能够和球进行充分的组合，以外接和内切两种形态进行结合，通过球的半径和棱锥的棱和高产生联系，然后考查几何体的体积或者表面积等相关问题2J球与正四面体正四面体作为一个规则的几何体，它既存在外接球，也存在内切球，并且两心合一，利用这点可顺利解决球的半径与正四面体的棱长关系。如图4,设正四面体SABC的棱长为a，内切球半径为r，外接球的半径为R，取AB的中点为D,E为S在底面的射影，连接CD,SD,SE为正四面体的高。在截面三角形SDC,作一个与边SD和DC相切，圆心在高SE上的圆，即为内切球的截面。因为正四面体本身的对称性可知，外接球和内切球的球心同为。此时，COOSR

6、,OEr,SERa,CE辽a,则有RrJia,R2r2|CE2=，解V33V33得：RJLa,r空a.这个解法是通过利用两心合一的思路，建立含有两个412球的半径的等量关系进行求解同时我们可以发现，球心。为正四面体高的四等分点如果我们牢记这些数量关系，可为解题带来极大的方便图4例4将半径都为1的四个钢球完全装入形状为正四面体的容器里，这个正四面体的高的最小值为（）A.4! B. 2+ 症C. 4+ 症 D.艇；”容器四面烬中的这四十球，I八四小瑞油壬生心冲质点枸峻了牛核爰治2的“瑞心正四更烬吧这面体的高是“单位正四面悴的高（脊）的2催即拆1金李.“球心IF四面悴”的底面到容器正四面体”的娜面洪

7、V淘半栓1.而“碳心产四简悴&顶点到“容品正四面悴”的顶点的丽禹兔9I海半径的IB）于足“百醋正四血仲”的局羯公也十3T-选坪口DZT”小球牛饪的佶”足SZ样啤的敞-个球的外切正四面体，这个小球球心与外切正四面体的中心重合，而正四面体的中心到顶点的距离是中心到地面距离的3倍.2.2 球与三条侧棱互相垂直的三棱锥球与三条侧棱互相垂直的三棱锥组合问题，主要是体现在球为三棱锥的外接球.解决的基本方法是补形法，即把三棱柱补形成正方体或者长方体。常见两种形式：一是三棱锥的三条棱互相垂直且相等，则可以补形为一个正方体，它的外接球的球心就是三棱锥的外接球的球心。如图5,三棱锥/ABQi的外接球的球心

8、和正方体ABCDA旧1G）的外接球的球心重合，设AAa，则二是如果三棱锥的三条侧棱互相垂直且不相等，则可以补形为一个长q2方体，它的外接球的球心就是三棱锥的外接球的球心，R2（I为长方体的体对角线长）。例5在正三棱锥SABC中，心N分别是棱SC、BC的中点，且AMMN，若侧棱SA2.3，则正三棱锥SABC外接球的表面积面图的特点，可以构造直角三角形进行求解廨;如图15-_L三检锥肘棱才目互垂吉*ACim、S372kflVrAWdJ舌u仅必_LL至面亦U于一平面砌匚，：，3,超.箱JJS而£4,砖.此时正二檀££_L超C*的二巅侧橇旦相垂m井且柏等.故谖正一棱萌补夥

9、为工右嫁.球的半隹2.3 球与正棱锥球与正棱锥的组合，常见的有两类,是球为三棱锥的外接球，此时三棱锥的各个顶点在球面上，根据截二是球为正棱锥的内切球，例如正三棱锥的内切球，球与正三棱锥四个面相切，球心到四个面的距离相等，都为球半径R.这样求球的半径可转化为球球心到三棱锥面的距离，故可采用等体积法解决，即四个小三棱锥的体积和为正三棱锥的体积.例6在三棱锥P-ABC中，PQPB=PC=3，侧棱PA与底面ABC所成的角为60。，则该三棱锥外接球的体积为（）A.B.C.4D.A-3集、如图7用示.过尸点作底而屈U的垂赴.垂童简。.设P3为外搀球的球心，连以从妆因APA0=6CftPAA-fii仪

10、63;0二适,上乂|"为直角三fg曙22®?AHPHr,血AgO吐Ar3曹严4-（2人吸iffxp喇2.4 球与特殊的棱锥球与一些特殊的棱锥进行组合，一定要抓住棱锥的几何性质，可综合利用截面法、补形法、等进行求解。例如，四面体都是直角三角形的三棱锥，可利用直角三角形斜边中点几何 特征，巧定球心位置。如图8,三棱锥S ABC,满足SA面ABC, AB BC，取SC的中点为0 ,由直角三角形的性 3球与球质可得：OA OS OB OC ,所以0点为三棱锥S ABC的外接球的球心，则R翌对个多个小球结合在一起，组合成复杂的几何体问题，要求有丰富的 空间想2象能力，解决本类问题需掌

11、握恰当的处理手段，如准确确定各个小球的球心的位置关系，或者巧借截面图等方法，将空间问题转化平面问题 求解.例8在半径为的球内放入大小相等的4个小球，则小球的半径的最大值为（）例7在半径为3、的球内就人大小相等的4个小球，刚小球半径尸的次值为（C ?D %!解.要陵得小球的半径谎大.需趣得Q个小球的球心沃一个正四酝悴的四牛顶点*讪圈日所示*比时IF四面aV的外拾球的球4齿0*即丰径两瓦的球日勺球心.呱卫一惠一心;£固口丸北口 1朗四分点，故4力。尸（应一尸）舌在中册=2 严彳羽严（/? - r） xia = （A -J?/,H 9例7矩形ABCD中，AB4,BC3,沿AC将矩形ABCD

12、折成一个直二面角BACD，则四面体ABCD的外接球的体积是（）A.125B.125C.125D集12963fti由分析可牺四而休血菟的外援球日勺球。蔷在dC的中气比时淌足创二0D二0E二0：AC5t,4_3125R=-fV=-71K=22364球与几何体的各条棱相切球与几何体的各条棱相切问题，关键要抓住棱与球相切的几何性质，达到明确球心的位置为目的，然后通过构造直角三角形进行转换和求解/a如与正四面体各棱都相切的球的半径为相对棱的一半：4.例8把一个皮球放入如图10所示的由8根长均为20cm的铁丝接成的四棱锥形骨架内，使皮球的表面与8根铁丝都有接触点，则皮球的半径为()A.10<3cmB

13、.10cmC.10.2cmD.30cmICMt如图所示.i题意球心在AT上，球心沟6过。作BF朗平线CN垂足沟阳ON-R*OM-R*因K1各个棱都K12人所PAam，FP-KCI,riw=in7T nrM疵r所以PM - 10nj5，在妣AM 中，闻KP-lf)V5,ZBPA=rr-/lr>ifl/>H11CM&川二1在RtL.ABPd1'cind=/彳生,P>1(JWP«|cind=s所L艾BP202OP。尸2?i = (10 八 2-©到+ 100,CTLUOP-忑R.拄RlKOan中*解禹，2?-10或3。(窖所L儿丘二1忙梆.故选B

14、.综合上面的四种类型，解决与球的外切问题主要是指球外切多面体与旋转体，解答时首先要找准切点，通过作截面来解决如果外切的是多面体，则作截面时主要抓住多面体过球心的对角面来作；把一个多面体的几个顶点放在球面上即为球的内接问题.解决这类问题的关键是抓住内接的特点，即球心到多面体的顶点的距离等于球的半径.发挥好空间想象力，借助于数形结合进行转化，问题即可得解.如果是一些特殊的几何体，如正方体、正四面体等可以借助结论直接求解，此时结论的记忆必须准确.A. 33 B . 3 43答案B2.直三棱柱ABCAB AC AA 2 ,BAG3 D . 3412外接球内切球问题1.（陕西理）一个正三棱锥的四个顶点都

15、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（）的各顶点都在同-球面上，若120，则此球的表面积等于。解：在ABC中ABAC2,BAC120,可得BC2、3,由正弦定理，可得ABC外接圆半径r=2,设此圆圆心为0，球心为0，在RTOBO中，易得球半径R.5，故此球的表面积为4R220.3 .正三棱柱ABCABiG内接于半径为2的球，若A,B两点的球面距离为则正三棱柱的体积为答案84 .表面积为Z3的正八面体的各个顶点都在同一个球面上，贝眦球的体积为【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8旨2二知，a1，则此球的直径为.2，故选A。45 .已知

16、正方体外接球的体积是蛋，那么正方体的棱长等于（A.2 2B.C.4. 23D.答案D6 .（山东卷）正方体的内切球与其外接球的体积之比为OA1：“B.1：3C.1：3/3答案C其侧棱垂直底面,已2237 .（海南、宁夏理科）一个六棱柱的底面是正六边形，A.H3答案A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为3,则这个球的体积为.8 .（天津理）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.答案14n9 .（全国H理）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cm:答案24210 .（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.答案6.711 .（辽宁省抚顺一中）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