什麼是多面體的外接球,如果一個多面體的各個頂點都在同一個球面上,那麼稱這個多面體是球的内接多面體,這個球為多面體的外接球。
多面體的外接球問題,是立體幾何的一個重點,也是高考考察的一個熱點,當然這熱點不是“重點”,而是難點!有多少優秀的孩子們被這個球弄得亂七八糟!
研究多面體的外接球問題,又要運用球的性質,要命的是還要特别注意多面體的有關幾何元素與球的半徑的關系,而多面體外接球半徑的求法在解題中往往會起到至關重要的作用,接下來,我們通過幾道例題來探讨這類問題的求解策略。
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定義法
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例7、矩形ABCD中,AB=6,CD=8,沿對角線AC将平面ACD折起,構成一個四面體,求四面體D-ABC外接球的體積為。
解析:(如圖)因為四面體的外接球的球心到四個頂點的距離相等,由矩形的對角線互相平分,可得點O到四個頂點A、B、C、D的距離都相等。所以點O就是四面體外接球的球心,因此,求四面體外接球的半徑可轉化為先求矩形的對角線長,再計算半徑。
實際上,我們可以得到:有公共斜邊的兩個直角三角形組成的三棱錐,外接球球心在公共斜邊的中點處。
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構造直角三角形
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例8、正三棱錐V-ABC中,其中側棱VA=4,AB=BC=AC=2,求三棱錐V-ABC外接球的半徑為。
解析:設正三棱錐底面△ABC外心是E,外接球的球心為O,如圖,由球的截面的性質,可得OE⊥平面ABC,又VE⊥平面ABC,所以球心O必在VE所在的直線上,設外接球的半徑為R,
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軸截面
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例9、三棱錐S-ABC中,其中SA⊥平面 ABC,
∠BAC=30°,且SA=8,BC=3,求三棱錐S-ABC外接球的體積為。
解析:尋找底面△ABC的外心M,過M作底面△ABC的垂線MN,使得MN=SA,則外接球的球心必在直線MN上,因為SA⊥平面ABC,所以四邊形AMNS是矩形,且O到A、B距離相等,所以O是MN的中點,所以OA即為外接球的一條半徑。
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向量法
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例10、如圖,在棱長為2的正方體ABCD-EFGH中,M為上底的中心,則三棱錐M-ACF外接球的表面積為。
解析:三棱錐M-ACF沒有特殊垂直的關系,不容易找出球心的位置,但是三棱錐M-ACF放置在正方體中,我們可以建立空間直角坐标系,利用球心到四個頂點的距離相等求出球心的坐标,進而計算出半徑。
多面體的外接球問題是有關球類的問題的基本題型之一,因為它能全方位、多角度、深層次考察空間想象能力,所以深受命題人青睐。這類問題由于不易畫圖而變得抽象難解,所以在解決這類問題時首先考慮構造典型的幾何體模型,其次尋找球心,通過“截面”把立體幾何問題轉化為平面幾何問題,當然最後還有我們的空間直角坐标系,通過建系發揮空間向量的威力!
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