关于外接球的表面积与体积计算问题(二)

玛丽莲梦兔
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2021年02月21日 15:00
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2021年2月21日发(作者:华贵的意思)



关于外接球的表面积与体积问题(二)





一.选择题(共

< br>30


小题)



1


.已知△


EAB


所在的平面与矩形

ABCD


所在的平面互相垂直,


EA=EB=3

< p>


AD=2




AEB=60°


,则多面体


E

< br>﹣


ABCD


的外接球的表面积为(






A





B





C



12π



D



16π



2


.已知三棱柱


ABC



A


1


B

1


C


1


的侧棱垂直于底面,各顶点 都在同一球面上,若该


棱柱的体积为


A




B



,< /p>


AB=2


C




D




,则此球的体积等于(






3


.三棱 锥


A



BCD


中,△


ABC


为等边三角形,


AB=2


,∠


BDC=90°


,二面角


A



BC


< p>
D


的大小为


150°


,则 三棱锥


A



BCD

的外接球的表面积为(






A





B



12π



C



16π



D



28π



4


.已知矩形


ABCD


中,


AB=6



BC=4



E



F


分别是


AB



CD


上两动点,且


AE=DF



把四边形


BCFE


沿


EF


折起,使平面


BCFE


⊥平面


ABCD


,若折得的几何体的体积最


大,则该几何体 外接球的体积为(






A



28π



B




C



32π



D





5


.已知三棱锥


A



BCD


中,


球面上,则该球的体积为 (






A




B





C





D




,且各 顶点均在同一个


6



如图,

< p>
将边长为


2


的正△


ABC


沿着高


AD


折起,

使∠


BDC=60°



若折起后< /p>


A



B



C



D


四点都在球< /p>


O


的表面上,则球


O

的表面积为(







A




B




C




D




7


.设


SA


为球的直径,

B



C



D


三点在球面上,且


SA


⊥面


BCD


,三角形


BCD



面积为


3



V


S



BCD


=3V


A



BCD

=3


,则球的表面积为(







1


页(共


30


页)





A



16π



B



64π



C



π



D



32π



8


.已知四面体


A


BCD


中,△


ABC

< p>
和△


BCD


都是边长为


6


的正三角形,则当四


面体的体积最大时,其外接球的表面积是(






A



60π



B



30π



C



20π



D



15π



9


.在封闭直三棱柱


ABC

< p>


A


1


B


1


C


1


内有一个体积为


V


的球,若


AB


⊥< /p>


BC



AB=15



BC=8



AA

< br>1


=5


,则


V

< br>的最大值是(






A



B




C




D



36π



10


.在正方体


ABCD



A


1


B

< br>1


C


1


D


1


中,


M


是线段

A


1


C


1


的中点,若四面体


M



ABD



外接球的表面积为


36π

,则正方体棱长为(






A



2


B



3


C



4


D



5



11


.三棱锥


P



ABC


中,


PA



PB



PC


互相垂直,


PA=PB=1



M


是线段


BC


上一动


点,若直线


AM


与平面


PBC


所成角的正切的最大值是


外接球的表面积是(






A





B





C





D



16π



12


.如图某空间几何体的正视图和俯视图分别为边长为


2


的正方形和正三角形,


则该空间几何体的外 接球的表面积为(






,则三棱锥


P



ABC




A




B




C



16π



D



21π



13


.已知


P



A



B


,< /p>


C


是球


O


球面上 的四点,△


ABC


是正三角形,三棱锥


P



ABC


的体积为

< br>A




B



,且∠


APO=



BPO=



CPO=30 °


,则球


O


的表面积为(






π



C



16π



D



12π



的正三棱锥


O



ABC


的体积为


,且


A



B



C

< br>在球


O


14


.已知底面边长为< /p>


上,则球的体积是(







2


页(共


30


页)





A




B





C



20π



D




15< /p>


.已知直三棱柱


ABC



A


1


B


1

C


1


中,∠


BAC=90°


,侧面


BCC


1


B< /p>


1


的面积为


4


, 则直


三棱柱


ABC


< br>A


1


B


1


C


1


外接球表面积的最小值为(






A





B





C



16π



D



32π



16


.如图


1



ABCD


是边长为


2


的正方形,点


E



F


分别为


BC



CD


的中点,将△


ABE


,△

< br>ECF


,△


FDA


分别沿


AE



EF



FA


折起,使


B


,< /p>


C



D


三点重合 于点


P


,若


四面体

PAEF


的四个顶点在同一个球面上,则该球的表面积是(







A




B





C




D



12π



17


.将边长为


的正方形


ABCD


沿对角线


AC


折成 一个直二面角


B



AC



D


.则


四面体


ABCD


的内切球的半径为(






A



1


B




C




D




18< /p>


.三棱锥


P



A BC


三条侧棱两两垂直,三个侧面面积分别为


则该三棱锥的外接 球表面积为(






A





B





C





D



10π



19


.在四面体


S


ABC


中,


余弦值为

< p>
A



,则该四面体外接球的表面积是(

< p>






B




C



24π



D




< /p>



,二面角


S



AC



B


的< /p>


20


.如图,在三棱锥


D



ABC


中,


的四个顶点均在 同一球面上,则该球的体积为(






,若该三棱锥



3


页(共


30


页)





A




B





C





D




21< /p>



一个直三棱柱的每条棱长都是


4


的表面积为(






A



84π



B



96π



C



112π



22


.三棱锥的棱长均为


4

< p>
A



36π



B



72π



C



144π



D



144π




且每个顶点都在球


O


的球面上,


则球


O


,顶点在同 一球面上,则该球的表面积为(






D



288π



23


.已知正三棱柱


ABC

< p>


A


1


B


1


C


1


的六个顶点在球


O


1


上,又知球


O< /p>


2


与此正三棱柱



5


个面都相切,求球


O


1

< p>
与球


O


2


的表面积之比(






A



5



1


B



2

< p>


1


C



4



1


D




1


24


.已知四面体


ABCD


的六条 棱中,


AC=BD=4


,其余的四条棱的长都是


3


,则此


四面体的外接球的表面积为(






A



43π



B



17π



C



34π



D




25< /p>


.若三棱锥


P



ABC


中,


AB=AC=1



AB



AC



PA


⊥平面


ABC


,且 直线


PA


与平面


PBC


所成角的正切值为


,则三棱锥


P



ABC


的外接球的表面积为(






A





B





C



16π



D



32π



26


.若三棱锥


P


ABC


中,


AB=AC=1



AB



AC



PA


⊥平面


AB C


,且直线


PA


与平面


PBC


所成角的正切值为


,则三棱锥

< br>P



ABC


的外接球的体积为(






A



B



C




D




27< /p>


.已知正四棱锥


P


ABCD


的底面边长为


外接球的半径之比为(





< br>A



1



2


B



2



5


C



1



3


D


.< /p>


4



5



,体积为


,则此棱锥的内切球与


28


.球


O


与锐二面角


α< /p>



l



β


的两半平面相切,两切点间的距离为


交线


l< /p>


的距离为


2


,则球


O


的表面积为(







O


点到


< /p>



4


页(共


30


页)





A



B





C



12π



D



36π



29


.四面体


ABCD


的四个顶点都在球


O


的表面上,


AB


⊥平面


BCD




BCD


是边长


< p>
3


的等边三角形.若


AB=2

,则球


O


的表面积为(






A





B



12π



C



16π



D



32


π< /p>



30


.已知在三棱锥

< br>P



ABC


中,


V


P



ABC


=


,∠


APC=


,∠


BPC=



PA



AC



PB



BC


,且平面


PAC


⊥平面


PBC


,那么三棱锥


P



ABC


外接球的体积为(

< br>






A



B




C




D









5


页(共


30


页)





关于外接球的表面积与体积问题(二)



参考答案与试题解析





一.选择题(共


30


小题)



1




2017•


全国模拟)


已知 △


EAB


所在的平面与矩形


ABCD< /p>


所在的平面互相垂直,


EA=EB=3



AD=2


,∠


AEB=60°


,则多面体


E



ABC D


的外接球的表面积为(






A





B





C



12π



D



16π



【分析】


设球心到平面


ABCD


的距离为


d


,利用△


EAB


所在的平面与矩形


ABCD


所在 的平面互相垂直,


EA=EB=3




AEB=60°



可得


E


到平面


ABCD


的距离为< /p>


从而


R


2


=




2


+


d


2


=1


2

< p>
+





d



2


,求出


R


2


=4


,即可求出多面体< /p>


E



ABCD


的 外接球的表面积.



【解答】


解:设球 心到平面


ABCD


的距离为


d


,则



∵△


EAB


所在的平面与矩形


ABCD


所在的平面互相 垂直,


EA=EB=3


,∠


AEB=6 0°





E


到平面


ABCD


的距离为



R


2


=

< br>(



d=


2


+


d


2


=1


2


+




R


2


=4


,< /p>






d



2


< p>


∴多面体


E



ABCD


的外接球的表面积为


4πR

< p>
2


=16π




故选


D





【点评】


本题考查多面体

< p>
E



ABCD


的外接球的 表面积,考查学生的计算能力,


正确求出多面体


E



ABCD


的外接球的半径是关键.





2



2017•


大理州二模)已知 三棱柱


ABC



A

1


B


1


C


1


的侧棱垂直于底面,各顶点都


在同一球面上,若该棱柱的体积 为



AB=2


,则此球



6


页(共


30


页)





的体积等于(






A




B



C




D




【分析 】


画出球的内接三棱柱


ABC



A


1


B


1

< p>
C


1


,作出球的半径,然后可求球的表面


积.



【解答】


解:设


AA


1


=h


, 则



∵棱柱的体积为




h=1





AB=2



BC=


=







AB=2





如图,连接上下底面外心,


O



PQ


的中点,< /p>


OP


⊥平面


ABC




AP=


=



则 球的半径为


OA



< br>由题意


OP=


,∴


OA=


=




所以球的体积 为:


πR


3


=


π



故选


B





【点评】


本题是基础题,解题思路是 :先求底面外接圆的半径,转化为直角三角


形,求出球的半径,这是三棱柱外接球的常用 方法;本题考查空间想象能力,计


算能力.





3




2017•


福州一模)

< br>三棱锥


A



BCD


中,



ABC


为等边三角形 ,


AB=2



7


页(共


30


页)






BDC =90°




二面角

< br>A



BC


D


的大小为


150°


< p>
则三棱锥


A



BCD


的外接球的表面积为







A





B



12π



C



16π



D



28π



【分析】


由题意画出图形,通过求解直角三角形可得三棱锥


A



BCD


的外接 球的


半径,代入球的表面积公式得答案.


【解答】


解:设球心为


M



BC


的中点为


P


,< /p>



∵三角形


BDC


满足∠


BDC=90°


,∴


P


为三角形


BDC


的外心,


设△


ABC


的外心为

< p>
O


,∵△


ABC


为等边三 角形,




MO


⊥平面


ABC



MP


⊥平面


BDC



< p>
∵二面角


A



BC



D


的大小为


150 °


,∴∠


OPM=60°


< p>


在等边三角形


ABC


中 ,由


AB=2


,得


AP=3

< p>










OP=1


,在


R t



MOP


中,可得

< br>MO=



Rt



MOA


中,得


MA=


∴三棱锥


A



BCD


的 外接球的表面积为


故选:


D





【点评】


本题考查 球的表面积与体积,


考查空间想象能力和思维能力,


属中档题.





4




2017•


香 坊区校级一模)已知矩形


ABCD


中,


AB=6



BC=4



E



F


分别是


AB



CD


上两动点,且


AE=DF


,把四边形


BCFE

< p>
沿


EF


折起,使平面


BC FE


⊥平面


ABCD



若折得的几何体的体积最大,则该几何体外接球的体积为(






A



28π



B




C



32π



D




【分析 】


三棱柱


ABE


DCF


的底面积最大时,其体积最大.设


FC=x



DCF=6



x



s



DCF


=


=


=


.令


f



x


< p>
=36x


2



12x


3



f′



x



=72x



36x


2


,令


f< /p>



x



=0


,可得


x=2


,即当


x=2


时,



8


页(共


30


页)





s


DCF


最大,此时


CF



CD



CB


两两垂直,可以把此三棱柱补成长方体,外接球的


半径为长方体对角线长 的一半,得球半径


R


即可.



【解答】


解:






将矩形


ABCD


沿


EF


折起,


使得平面


ABCD


⊥平面


BCFE



可得直三棱柱

< br>ABE



DCF



(如图)



三棱柱


ABE< /p>



DCF


的底面△


DCF


,△


ABE


是直角△,


AB



BE



FC



CD



三棱柱


ABE



DC F


的底面积最大时,其体积最大.




FC=x



DCF=6



x



s


DCF


=




f



x



=36x


2



12x


3



f′



x



=72x



36x


2

< br>,令


f



x


=0


,可得


x=2



∴当


x=2


时,


s



DCF


最大




此时


CF



CD



CB


两两垂直,可以把此三棱柱补成长方体,外接球的半径为长


方体对角线 长的一半



球半径


R=


故选:


D




【点评】


本题考查了折叠问题,及三棱柱的外接球,属于中档题.





5

< br>.



2017•


贵州模拟)已知 三棱锥


A



BCD

中,


各顶点均在同一个球面上,则该球的体积为(







9


页(共


30


页)




=


=



∴几何体外接球的体积为





,且



A




B





C





D




【分析 】


由三棱锥的对边相等可得三棱锥


A



BCD


为某一长方体的对角线组成的


三 棱锥,求出长方体的棱长即可得出外接球的半径,从而计算出外接球的体积.



【解答】


解:补体为底面边长为


1


,高为


对角线中点,所以球的半径


r=1

< p>
,球的体积


故选


D




【点评】


本题考查了棱锥与外接球的位置 关系,棱锥的体积计算,转化思想,属


于中档题.





6




2017•


临川区校级模拟)如图,将边 长为


2


的正△


ABC

< br>沿着高


AD


折起,使



BDC=60°


,若折起后


A

< br>、


B



C



D


四点都在球


O

< br>的表面上,则球


O


的表面积为







的长方体,外接球的球心为长方体体





A




B




C




D




【分析 】


通过底面三角形


BCD


求出底面圆的 半径


DM



判断球心到底面圆的距离< /p>


OD


,求出球


O


的半径,即可求解球


O


的表面积.


< /p>


【解答】


解:△


BCD

< br>中,


BD=1



CD=1


,∠


BDC=60°




底面三角形的底面圆半径为:


DM=CM=


AD


是球的弦,


DA=


∴球的 半径


OD=


,∴


OM=


=




π








该球的表面积为:



×

< br>OD


2


=


故选:


B




10


页(共


30


页)





< br>【点评】


本题考查球的表面积的求法,


球的内接体,


考查空间想象能力以及计算


能力.





7




2017•


贵阳一模)

< br>设


SA


为球的直径,


B



C



D


三点在球面上,



SA


⊥面


BCD



三角形


BCD


的面积为


3



V


S



BCD


=3V


A



BCD

< p>
=3


,则球的表面积为(






A



16π



B



64π



C



π



D



32π



【分析】


利用


SA

⊥面


BCD


,三角形


BCD


的面积为


3



V


S



BCD


=3V


A



BCD


= 3


,求出球


的直径,即可得出结论.



【解答】


解:设三棱锥


A



BCD


的高为


h


,则三棱锥


S



BCD


的高为


3h


,球的直

< br>径为


2R



< br>∵三角形


BCD


的面积为


3



V


A



BCD


=1





=1


,∴


h=1< /p>


,∴


R=2




∴球的表面积为


4π•2


2

< p>
=16π




故选


A



< /p>


【点评】


本题考查球的表面积,考查三棱锥体积的计算,考查学生 的计算能力,


属于中档题.





8




2017•


南岗区一模)已知四面体


A



BCD


中,△


A BC


和△


BCD


都是边长为

< p>
6


的正三角形,则当四面体的体积最大时,其外接球的表面积是(






A



60π



B



30π



C



20π



D



15π



【分析】


当四面体的体积最大时,平面


ABC


⊥平面


BCD


,取


AD



BC


中点分别为


E



F


,连接


EF



AF



DF


,求出


EF


, 判断三棱锥的外接球球心


O


在线段


EF


上,连



OA



OC


,求出半径,然后求解三棱锥的外接球的表面积.




11


页(共


30


页)





【解答】


解:当四面体的体积最大时 ,平面


ABC


⊥平面


BCD

< p>




AD



BC


中点分别为


E



F


,连接


EF



AF



DF




由题意知


AF



DF



AF =CF=3



EF=


AD=

< p>





易知三棱锥的外接球球心


O


在线段

EF


上,



连接

< br>OA



OC


,有


R


2


=AE


2


+


OE


2


< br>R


2


=DF


2

< br>+


OF


2




R


2


=




R=





2


+


OE


2



R


2


=3


2


+




OE


< p>
2




∴三棱锥的外接球 的表面积为


4πR


2


=60π




故选


A





【点评】


本小题主要考查球的内接几 何体的相关计算问题,


对考生的空间想象能


力与运算求解能力以 及数形结合思想都提出很高要求,本题是一道综合题.





9




2017•


呼和浩特二模)


在封闭直三棱柱


ABC



A


1


B


1


C


1


内有一个体积为


V


的球,

< br>若


AB



BC

< br>,


AB=15



BC=8



AA


1


=5


,则


V


的最大值是(






A



B




C




D



36π



【分析】


要使球的体积


V


最大,


必须使球的半径


R


最 大.


因为△


ABC


内切圆的半


径为


2


,所以由题意易知球与直三棱柱的上、下 底面都相切时,球的半径取得最


大值,求出三棱柱


ABC



A


1


B

< p>
1


C


1


内切球半径即可< /p>



【解答】


解:要使球的体积

< p>
V


最大,必须使球的半径


R


最大.



Rt


ABC


中,


AB



BC



AB=15



BC=8


,∴


AC=12


,△


ABC


内切圆的半径为


r=3< /p>


,所


以由题意易知球与直三棱柱的上、下底面都相切时,球的半径 取得最大值为




此时球的体积为


πR


3


=


故选:< /p>


B





12


页(共


30


页)







【点评】


本题考查了棱柱的内切球的 体积,解题关键在于确定球何时半径最大,


属于基础题.





10


.< /p>



2017•


大东区一模)在正方体


ABCD



A


1< /p>


B


1


C


1


D


1


中,


M


是线段


A


1


C


1


的中点,


若四面体


M



ABD


的外接球的表面积为


36π


,则正方体棱长为(






A



2


B



3


C



4


D



5



【分析】



BD


的 中点


O′



则球心

O



MO′


上,

< br>利用四面体


M



ABD


的外接球表


面积为


36π


,求出球的半径,利用勾股定理建立方程,求出正方体棱长.



【解答】


解:设


BD


的中点


O′


,则球心


O



MO′


上,



∵四 面体


M



ABD


的外接球表面积为


36π





4πR


2


=36π





R=3




设正方体棱长为


2a


,则


O′A=


由勾股定理可得


3


2


=




a= 2




∴正方体棱长为


2a=4




故选


C



< /p>


【点评】


本题考查正方体棱长,


考查四面 体


M



ABD


的外接球表面积,


确定球心


的位置是关键.




11




2017•


绵阳模拟)三棱锥< /p>


P



ABC


中,


PA



PB



PC


互相垂直,


PA=PB=1



M


是线段


BC


上一动点,


若直线


AM

与平面


PBC


所成角的正切的最大值是

棱锥


P



ABC

< br>的外接球的表面积是(






A





B





C





D



16π



【分析】


PA



PB



PC


互相垂直,


PA=PB=1



M


是线段


BC


上一动点,当


PM


最短


时,即


PM


< p>
BC


时直线


AM


与平面< /p>


PBC


所成角的正切的最大,最大值是


, 求



则三


a





2


+



2a



3



2



< p>


PC=


,三棱锥


P



ABC


扩充为长方体,则长方体的对角线 长为三棱锥


P



ABC


的外接球的直径,即可得出结论.



【解答】


解:


M


是线段


BC


上一动点,连接


PM


,∵

< br>PA



PB


< br>PC


互相垂直,∴∠



13


页(共


30


页)





AMP


就 是直线


AM


与平面


PBC


所成角,




PM


最短时,即


PM



BC


时直线


AM


与平面

PBC


所成角的正切的最大.



此 时



PM=





PC=







Rt< /p>



PBC


中,


P B•PC=BC•PM



PC=


三棱锥


P



ABC


扩 充为长方体,则长方体的对角线长为


∴三棱锥


P



ABC


的外接球的半径为


R =1




∴三棱锥

P



ABC


的外接球的表面积为< /p>


4πR


2


=4π




故选:


B





【点评】


题考查三棱锥


P



ABC


的外接球的体积 ,考查线面垂直,线面角,考查


学生分析解决问题的能力,属于中档题

< br>




12



2017•


湖北模拟)


如图某空间几何体的正视图和俯视图分别为边长为


2

< br>的正


方形和正三角形,则该空间几何体的外接球的表面积为(






A




B




C



16π



D



21π



【分析】


由几何体的三视图知该几何体是四棱锥


S



ABCD


,其中


ABCD


是边长为


2


的 正主形,△


SBC


是边长为


2


的等边三角形,


AB


⊥平面

< br>SBC


,由此能求出该空



14


页(共


30


页)





间几何体的外接球的表面积.



【解答 】


解:如图,由几何体的三视图知该几何体是四棱锥


S



ABCD




其中


ABCD


是边长为


2


的正方形,△


SBC


是边长为


2


的等边三角形,


AB


⊥平面


SBC





BC


中点


F



AD


中点


E


,连结


SF


< p>
EF


,取


EF


中点


M


,则


MF=1


,< /p>


SF=


设该几何体外接球的球心为


O


,则


OM


⊥面


AB CD


,设


OM=x


< br>



O



OH



SF


,交

SF



H


,则

SH=



OD


2

< br>=OS


2


=R


2




即(


解得


x=



R=



2


+


x


2

=1


2


+





=




=





2





OH=MF=1






∴该空间几何体的外接球的表 面积


S=


故选:


B




【点评】

< br>本题考查空间几何体的外接球的表面积的求法,


是基础题,


解题时要认


真审题,注意三视图的性质的合理运用.





13


.< /p>



2017•


楚雄州一模)已知


P



A



B



C


是球


O


球面上的四点,△


ABC


是 正三


角形,三棱锥


P



ABC


的体积为


面积为(






A





B



π



C



16π



D



12π



,且∠


APO=


BPO=



CPO=30°


,则球


O


的表



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30


页)



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