立体几何 外接球 特殊多面体外接球半径求解公式 统一版

余年寄山水
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2020年12月06日 07:14
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湖北师范大学分数线-仰天巨佛

2020年12月6日发(作者:苍石)


特殊多面体外接球半径求解公式
湖南衡阳 左小龙(QQ:83858561)
说明:1.本文受云南下关第一中学杨相元老师的在微信公众号文章的启发,特此感谢。
2.有更好的建议,请加我QQ。
3.内切球,棱切球问题,还需继续研究,希望各位大家能够指教。
4.如有好的练习题,请求大家分享。
一、 重要结论
1.

直三棱锥(柱)的外接球半径
【引例1】在三棱锥
PABC
中,
PA
平面
ABC
,设
BCa
,
ACb
,ABc
,
VABC
的面积为
S
,
PAh
, 求三棱锥
PABC
的外接球半径
R
。
【解析】设
PA BC
的球心
O
到平面
ABC
的距离为
d
,
VABC
的外接圆半径为
r
,
2
2

Rhd r
2

1

dh
则有

22
2
2


R

d

r
abc
1
2

abc

1

a bc
22
r
Rhrh

又由
S
,得故
,

,
4S
244S
4r

abc

。 即
Rdr
1
h
2
r
2

1
h
2



44

4S

22
2
22
2.

正三棱锥(柱)的外接球半径
【引例2】( 1)在正三棱锥中,高为
h
,底面外接圆半径为
r
,三棱锥的外接球半
径为
R
。
r
2
h
2
求证:
R

2h
( 2)在圆锥中,母线长为
l
,高为
h
,底面圆半径为
r
,母 线与底面的夹角为

,
圆锥的外接球半径为
R
。
l
2
lr
2
h
2

求证:
R

2h2sin

2h
1


【证明】(1)在正三棱锥
DABC
中,底面
ABC
外接圆
O
1
半径为r
,三棱锥的外接
球
O
半径
OBR
,高
DO
1
h
。
r
2
h
2
则有:

hR

rR
,
h2hRRrR
,
R

2h
2
22
2222

(2)如 图所示,设圆锥的轴截面为
SAB
,母线
SAl
,高
SOh。
延长
SO
到外接球于点
C
,则
SC
是外接 球的直径,从而
SAAC
。
OCS
又
A
l
2< br>SASOSC
,,即
lh2R
,故
R
。
2h
22
h
l
2
lr
2
h
2

又
lhr
,
sin


所以
R
。
l
2h2sin

2h
222
2
22



hR

rR
h
2
2hRR
2
r
2
R
2
,
l
22hR
,另证:

222



hrl
l
2
故
R
。
2h
故正棱锥的

正三棱锥
正四棱锥
半径
a
2
3h
2

R
6h
a
2
2h
2

R
4h
说明
h
为棱锥的高,
a
为底面边长,
r
3
a

3
2
a

2
h
为棱锥的高,
a
为底面边长,
r
正六棱锥
2


3.

对棱相等的三棱锥的外接球半径
长度
一个
z
。
如图,该三棱锥的三组对棱对应相等,
分别 为
a
,
b
,
c
,则可将该三棱锥补形为
长方体,设 该长方体的边长分别为
x
、
y
、

x
2
 y
2
a
2

222
yzb

易知该 三棱锥和长方体在同一球面上,设该球面的半径为
R
,则有

z
2< br>x
2
c
2

2

x
2
y
2
z
2

a
2
b
2
c
2
,即
2

2R

a
2
 b
2
c
2
,
2
a
2
b
2< br>c
2
故
R
。

8

总结:(1 )球直三棱锥(柱)的外接球的半径,或者求正棱锥(柱)外接球半径,
关键在于求底面的外接圆半径和 高。
(2)求对棱相等的三棱锥的外接球,可用补形法,或直接套用公式。

二、 应用举例
【例1】 (2008浙江理14)如图,已知球O点面上四点A、B、C、D,DA

平面
ABC,AB

BC,DA=AB=BC=
3
,则 球O点体积等
于 。
【答案】
9


2< br>D
A
C
【解答】
hDA3
,
VABC
的 外接圆半径
r
116
AC32
,
222
BR
1
22
1
hr
44

3

2
3

6

3
4
3
4

3

9







2



2
,
V
3

R
3



22


2
3


【例2】 (2007辽宁文15)若一个底面边长为
6
,棱长为6
的正六棱柱的所有
2
顶点都在一个球的面上,则此球的体积为 .
【答案】
43


【解析】
R
1
2 2
1
hr
44

6

2

6

4
3
,
V

R43




3


2

3

2
【例3】 (2010全国理10,)设三棱柱的侧棱垂直于底面,所有棱长都为
a
,顶
点都在一个球面上,则该球的表面积为

7
A.

a
2

B.

a
2

3
C.

11
2

a

D.

5

a
2

3

【答案】B
【 解析】解法一:三棱柱的高
ha
,底面为正三角形,外接圆半径
r
23
a
,
3
7a
2
7
2
1
2 2
1
2

3

7
2


a
,,应选B.
Rhra

a

a
,
球的表面积为
S4



123
44312< br>
【例4】 (2007海南11)已知三棱锥
SABC
的各顶点都在一个 半径为
r
的球面
上,球心
O
在
AB
上,
S O
底面
ABC
,
AC2r
,则球的体积与三棱锥体积
之 比是( )
A.
π

B.2π

C
.
3π

D
.
4π

【答案】D
【解析】略
【例5】 (2013辽宁理10)已知三棱柱
A BCA
1
B
1
C
1
的
6
个顶点都在球< br>O
的球面上,
若
AB3
,
AC4
,
AB AC
,
AA
1
12
,则球
O
的半径为( ).
A.
317
13
B.
210
C. D.
310

2
2
【答案】C
4


【解析】三棱柱
AB CA
1
B
1
C
1
为直三棱柱,高
hAA
1
12
,
底面为直角三角形,外接圆半径
rBC
, 1
22
112
2
5
2
13

5
2
所以,外接球半径
Rhr12


。
4442

2

2
1
2
5
2
【例6】 (1991全国20)在球面上有四个点
P
、
A
、
B
、
C
、如果
PA
、
PB
、
PC
两两互相垂直,且
PAPBPCa
.那么这个球面的面积是
【答案】
3

a
2

【解析】三棱锥的高
ha
,底面为等腰直角三角形,外接圆半径
r
1
22
1
2

2

3
Rhra

aa
,


2

442

2
2
a
2
所以外接球表面积
S4

R
2
3

a
2
。
【例7】 直三棱柱
ABCA
1
B1
C
1
的各顶点都在同一球面上,若
ABACAA
1
2
,
BAC120
,则此球的表面积等于 。w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

【答案】
20


【解析】在
ABC
中
ABAC2
,
BAC120
,可得
BC23
,由正弦定 理,可得
ABC
外接圆半径
r2
,三棱柱的高
hAA
1
2
,故三棱柱的外接球半径
R
1
2
1
hr
2
2
2
2
2
5
,所以此球的表面积为4

R
2
20

。
44
5

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