关于外接球的表面积与体积计算问题

余年寄山水
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2021年02月21日 15:21
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2021年2月21日发(作者:单县一中吧)


关于外接球的表面积与体积问题(二)





一.选择题(共


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



ABCD


的外接球 的表面积为(






A


.4π


B


.9π


C


.12π



D


.16π



2


.已知三棱柱


ABC



A


1


B


1

< br>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


,则此球的体积 等于(






A




B




C




D




3


.三棱锥


A



BC D


中,△


ABC


为等边三角形,


AB=2


,∠BDC=90°,二面角


A



BC



D


的大小为


150°,则三棱锥


A



BCD


的外接球的表面积为(





A


.7π


B


.12π



C


.16π



D


.28π



4


.已知矩形


ABCD


中,

< p>
AB=6



BC=4


,< /p>


E



F


分别是< /p>


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,




且各顶点均在同一个球面上,


则该球的体积为







A




B


.4π


C


.2π


D




6


.< /p>


如图,


将边长为


2


的正△


ABC


沿着高


AD

< p>
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


的面


积为


3



V


S



BCD


=3V


A



BCD

=3


,则球的表面积为(






A


.16π



B


.64π



C


.π



D


.32π



8


.已知四面体


A


< br>BCD


中,△


ABC


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,



AB



BC



AB=1 5



BC=8



AA


1


=5


,则

V


的最大值是(






A




B




C




D


.36π



10


.在正方体


ABCD


< p>
A


1


B


1


C


1


D


1

中,


M


是线段


A

< br>1


C


1


的中点,若四面体


M



ABD


的外接< /p>


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,


则三棱锥


P



ABC


的外接球的表


面积是(






A


.2π


B


.4π


C


.8π


D



16


π



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(







A




B




C


.16π



D


.21π



13


.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,且∠


APO=< /p>



BPO=


∠CPO=30°,则球


O


的表面积为(






A


.4π


B


.π



C


.16π



D


.12π



14


.已知底面边长为的正三棱锥


O



ABC


的体积为,且


A



B



C

在球


O


上,则球


的体积是(






A




B


.8π


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


1


的面积为


4


,则直三


棱柱


ABC



A


1


B


1


C


1

< br>外接球表面积的最小值为(






A


.4π


B


.8π


C


.16π



D


.32π



16



如图


1



ABCD


是边长为


2


的正方形,



E


< p>
F


分别为


BC



CD


的中点,


将△


AB E




ECF


,△


FDA


分别沿


AE



EF



FA


折起,使


B



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


.6π


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

< p>
.则四面



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


.4π


B


.6π


C


.8π


D


.10π



19

.在四面体


S



ABC

< p>
中,


,二面角


S



AC



B


的余弦值为 ,则该四面体外接球的


表面积是(






A




B




C


.24π



D


.6π



2 0


.如图,在三棱锥


D



ABC


中,


,若该三棱锥的四个顶点均在同一球面上 ,则该


球的体积为(







A




B


.4π


C


.2π


D




21


. 一个直三棱柱的每条棱长都是


4


,且每个顶点都在球

< p>
O


的球面上,则球


O


的< /p>


表面积为(






A


.84π



B


.96π



C


.112π



D


.144π



22


.三棱锥的棱长均为


4


,顶点在 同一球面上,则该球的表面积为(






A


.36π



B


.72π



C


.144π



D


.288π



23


.已知正三棱柱


ABC



A


1


B


1

< p>
C


1


的六个顶点在球


O< /p>


1


上,又知球


O


2


与此正三棱柱的


5


个面都相切,求球


O


1


与球


O< /p>


2


的表面积之比(






A



5



1


B



2


< p>
1


C



4



1


D




1



24

< br>.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


.4π


B


.8π


C


.16π



D


.32π



26


.若三棱锥


P


< br>ABC


中,


AB=AC=1


,< /p>


AB



AC


,< /p>


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


的外接球的体积为(






A




B




C




D




27< /p>



已知正四棱锥


P



ABCD


的底面边长为,


体积为,


则此棱锥的内切球与外接球


的半径之比为(





A



1



2


B



2



5


C



1



3


D



4



5



28


.球


O


与锐二面角


α﹣


l


﹣β


的两半 平面相切,两切点间的距离为,


O


点到交


线


l


的距离为


2

,则球


O


的表面积为(







A




B


.4π


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


是边长为


3


的等边三角形.若


AB=2


,则球


O


的表面积为(






A


.8π


B


.12π



C


.16π



D


.32π



30


.已知在三棱锥


P



ABC


中,


V


P

< p>


ABC


=


,∠


APC=


,∠


BPC=



PA



AC



PB



BC


,且平



PAC


⊥平面


PBC


,那么三棱锥


P



ABC


外接球的体积为(







A




B




C




D







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


所在的平面互相垂直,


EA =EB=3



AD=2


,∠AEB=6 0°,则多面体


E



ABCD


的外接球的表面积为(






A


.4π


B


.9π


C


.12π



D


.16π



【分析】


设球心到平面


ABCD


的距离 为


d


,利用△


EAB

< br>所在的平面与矩形


ABCD



在 的平面互相垂直,


EA=EB=3


,∠AEB=60°,可得< /p>


E


到平面


ABCD


的距离为,从而


R


=


()

< p>
+d


=1


+


(﹣


d



,求出


R


=4


,即可求出多面体


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< /p>



∵△


EAB


所 在的平面与矩形


ABCD


所在的平面互相垂直,


EA=EB=3


,∠AEB=60°,




E


到平面


ABCD


的距离为,




R< /p>


=


()


+d


=1


+


(﹣


d


)< /p>





d=



R


2


=4




∴多面体


E



ABCD


的外接球的表面积为

< p>
4πR


2


=16π.



故选


D





2


2


2


2


2


2


2


2


2


2


2


【点评】


本题考查多面体


E



ABCD


的外接球的表面积,


考查学 生的计算能力,



确求出多面体


E



ABCD


的外接球的半径是关键.





2

< p>


(2017•大理州二模)已知三棱柱


ABC< /p>



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< /p>


,则此球的体积等于(






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,< /p>


然后可求球的表面积.



【解答】


解:设


AA


1


=h< /p>


,则



∵棱柱的体积为,


AB=2







h=1





AB=2





BC==




如图,连接上下底面外心,


O



PQ


的中点,


OP


⊥ 平面


ABC




AP==



则球的半径为


OA




由题意

< p>
OP=


,∴


OA==


,< /p>



所以球的体积为:πR


3




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)


三棱锥


A



BCD


中,



ABC


为等边三角形,


AB=2



∠BDC=90°,


二面角


A



BC



D


的大小为


150°,


则三棱锥


A



BCD


的外接球 的表面积为







A


.7π


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< /p>



BCD


的外接球的

半径,代入球的表面积公式得答案.



【解答】

< p>
解:设球心为


M



BC< /p>


的中点为


P




∵三角形


BDC


满足∠BDC=90° ,∴


P


为三角形


BDC


的外心,



设△


ABC


的外心为


O


,∵△


A BC


为等边三角形,




MO


⊥平面


ABC



MP


⊥平面


BDC




∵二面角


A



BC



D


的 大小为


150°,∴∠OPM=60°,


在等边三角形


ABC


中,由


AB= 2


,得


AP=3




OP=1


,在


Rt



MOP


中,可得


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.

< br>




4



(2017•香坊区校级一模)已知矩形


ABCD


中,


AB=6



BC= 4



E



F< /p>


分别是


AB



C D


上两动点,且


AE=DF


,把四边形


BCFE


沿


EF


折起,使平面


BCFE


⊥平面


ABC D



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


(< /p>


x



=36x


2



12x


3


, f′(


x



=72x

< br>﹣


36x


2


,令


f



x


=0


,可得


x=2



即当


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,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


BC FE


,可得直三棱柱


ABE



DCF



(如图)


< /p>


三棱柱


ABE



DCF


的底面△


DCF


,△

< p>
ABE


是直角△,


AB



BE



FC



CD



三棱柱


ABE



DCF


的底面积最大时,其体 积最大.




FC=x



DCF=6



x

< p>


s



DCF

< p>
===




< p>
f



x



=36x


2



12x


3


,f′(


x



=72x



36x


2


,令


f



x< /p>



=0


,可得


x =2



∴当


x=2

时,


s



DCF

< br>最大




此时

< br>CF



CD


< br>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 =


,∴几何体外接球的体积为,



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< /p>



(2017•贵州模拟)已知三棱锥


A



BCD


中,



,且各顶点均在同一个球面上,则


该球的体积为(

< p>





A




B


.4π


C


.2π


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


,高为的长方 体,外接球的球心为长方体体对


角线中点,所以球的半径


r=1


,球的体积,



故选


D



< /p>


【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



(20 17•临川区校级模拟)如图,将边长为


2


的正△


ABC


沿着高


AD


折起,使 ∠


BDC=60°,


若折起后


A



B



C

< p>


D


四点都在球


O


的表面上,


则球


O


的 表面积为








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


O D


,求出球


O


的半径,即可求解球


O


的表面积.



【 解答】


解:△


BCD


中,


BD=1



CD=1


,∠B DC=60°,



底面三角形的底面圆半径为:


DM=CM=




AD


是球的弦,


DA=


,∴


OM=




∴球的半径


OD==




该球的表面积 为:4π×


OD


2


=π;



故选:


B





【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)设


S A


为球的直径,


B


< br>C



D


三点在球面上,且


SA


⊥面


BCD


,< /p>


三角形


BCD


的面积为

< br>3



V


S



BCD


=3V


A

< br>﹣


BCD


=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< /p>



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


< p>
BCD


的高为


h


,则三棱 锥


S



BCD


的高为


3h


,球的直径



2R




∵三角形


BCD


的面积为


3


,< /p>


V


A



BCD< /p>


=1





=1


,∴


h=1


, ∴


R=2




∴球的表面积为


4π•2


2


=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



(20 17•南岗区一模)已知四面体


A



B CD


中,△


ABC


和△


BCD


都是边长为


6



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




AD



BC


中点分别为


E



F

< p>
,连接


EF



AF



DF


,求出


EF< /p>


,判断三棱锥的外接球球心


O


在线段


EF


上,连接


OA



OC


,求出半径,然后求解三棱锥的外接球的表面积.



【解答】


解:当四面体的体积最大时,平面


ABC


⊥平面


BCD

< br>,




AD


BC


中点分别为


E



F


,连接


EF

< p>


AF



DF

< p>



由题意知


AF



DF



AF=CF =3





E F=AD=




易知三棱锥的外接球球 心


O


在线段


EF


上,



连接


OA


OC


,有


R

=AE


+OE



R


=DF


+OF



< p>


R


2


=


()


2


+OE


2



R


2


=3


2


+


(﹣


OE



2





R=



< /p>


∴三棱锥的外接球的表面积为


4πR


2< /p>


=60π.



故选


A





2


2


2


2


2


2


【点评】< /p>


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


AB C



A


1


B< /p>


1


C


1


内有一个 体积为


V


的球,


AB



BC


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


1


C


1


内切球半径即可



【解答】


解:要使球的体积


V


最大,必须使球的半径

< p>
R


最大.



Rt



ABC


中,


AB



BC



AB=1 5



BC=8


,∴

AC=12


,△


ABC


内切圆的半 径为


r=3


,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:


B




【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



(2 017•大东区一模)在正方体


ABCD


A


1


B


1


C


1


D


1


中,


M


是线段


A


1


C


1


的中点,若四

面体


M



ABD

< br>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

< br>在


MO′上,


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.

< p>


【解答】


解:设


BD< /p>


的中点


O′,则球心


O

< br>在


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=a,



由勾股定理可得

3


2


=


()


2


+



2a



3



2


,< /p>




a=2




∴正方体棱长为


2a=4


< p>


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



(2 017•绵阳模拟)三棱锥


P



ABC


中,


PA



P B



PC


互相垂直,

< br>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,


则三棱锥


P



ABC


的外接球的表面积是(






A


.2π


B


.4π


C


.8π


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,



PM



BC


时直线


AM


与平面


PBC

所成角的正切的最大,最大值是,求出


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


,∵


PA



PB



PC


互相垂直,∴∠


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< /p>


所成角的正切的最大.



此时,


PM=





Rt



PBC


中,PB •PC=BC•PM



PC=



PC=




三棱锥< /p>


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


4πR


2


=4 π.



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


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


,由此能求出该空间


几何体的外接球的表面积.< /p>



【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



< p>


BC


中点


F

< p>


AD


中点


E

< p>
,连结


SF



EF


,取


EF


中点


M


,则


MF=1



S F=




设该几何体外接球的球心为< /p>


O


,则


OM


⊥面


ABCD


,设


OM=x





O


OH



SF

,交


SF



H

,则


SH=



OH=MF=1





OD


2


=OS


2


=R


2




即()


2


+x


2


=1


2


+


()


2




解得


x=





R==




∴该空间几何体的外接球的表面积


S==




故选:


B





【点评】


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



(2 017•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,且∠

APO=



BPO=


∠CPO=3 0°,则球


O


的表面积


为(

< p>





A


.4π


B


.π



C


.16π



D


.12π



【分析】


设△


ABC


的中心为


S


,球


O


的半径为


R


,△


ABC


的边 长为


2a


,由已知条


件推导出


a=R



再由三棱锥


P



ABC


的体积为,

< br>求出


R=2



由此能求出球


O


的表面


积.


< /p>


【解答】


解:如图,


P

< br>,


A



B



C


是球


O


球面上四点,△


ABC


是正三角形,



设△


ABC


的中心为

< br>S


,球


O


的半径为


R


,△


ABC


的边长为


2a



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