空间几何体的表面积与体积考点与题型归纳
空间几何体及其表面积和体积知识点及题型归纳总结
空间几何体及其表面积和体积知识点及题型归纳总结知识点精讲一、构成空间几何体的基本元素—点、线、面（1）空间中，点动成线，线动成面，面动成体.（1）空间中，不重合的两点确定一条直线，不共线的三点确定一个平面，不共面的四点确定一个空间图形或几何体（空间四边形、四面体或三棱锥）.二、简单凸多面体—棱柱、棱锥、棱台1．棱柱：两个面互相平面，其余各面都是四边形，并且每相邻两个四边形的公共边都互相平行，由这些面所围成的多面体叫做棱柱.（1）斜棱柱：侧棱不垂直于底面的棱柱；（2）直棱柱：侧棱垂直于底面的棱柱；（3）正棱柱：底面是正多边形的直棱柱；（4）平行六面体：底面是平行四边形的棱柱；（5）直平行六面体：侧棱垂直于底面的平行六面体；（6）长方体：底面是矩形的直平行六面体；（7）正方体：棱长都相等的长方体.2．棱锥：有一个面是多边形，其余各面是有一个公共顶点的三角形，由这些面所围成的多面体叫做棱锥.（1）正棱锥：底面是正多边形，且顶点在底面的射影是底面的中心；（2）正四面体：所有棱长都相等的三棱锥.3．棱台：用一个平行于棱锥底面的平面去截棱锥，底面和截面之间的部分叫做棱台，由正棱锥截得的棱台叫做正棱台.简单凸多面体的分类及其之间的关系如图8-1所示.三、简单旋转体—圆柱、圆锥、圆台、球1．圆柱：以矩形的一边所在的直线为旋转轴，其余三边旋转形成的面所围成的几何体叫做圆柱.2．圆柱：以直角三角形的一条直角边所在的直线为旋转轴，将其旋转一周形成的面所围成的几何体叫做圆锥.3．圆台：用平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面和截面之间的部分叫做圆台.4．球：以半圆的直径所在的直线为旋转轴，半圆面旋转一周形成的旋转体叫做球体，简称为球（球面距离：经过两点的大圆在这两点间的劣弧长度）.四、组合体由柱体、椎体、台体、球等几何体组成的复杂的几何体叫做组合体.五、表面积与体积计算公式（见表8-1和8-2）表8-1表面积柱体2S ch S=+直棱柱底2(S c l S c''=+斜棱柱底为直截面周长)2222()S r rl r r lπππ=+=+圆锥椎体12S nah S'=+正棱锥底2()S r rl r r lπππ=+=+圆锥台体1()2S n a a h S S'=+++正棱台上下22)S r r r l rlπ''=+++圆台（球24S Rπ=表8-2体积柱体V Sh=柱椎体13V Sh=锥Sh台体 1()3V S SS S h ''=++台球343V R π=题型归纳及思路提示题型1 几何体的表面积与体积 思路提示熟悉几何体的表面积、体积的基本公式，注意直角等特殊角.例8-1三棱锥P ABC -的侧棱PA ，PB ，PC 两两垂直，侧面积分别是6，4，3，则三棱锥的表面积是 ，体积是 .解析 如图8-2所示，设PA a =，PB b =，(PC c a =，b ，0)c >，则624232ab bcca⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩,得1286ab bc ca =⎧⎪=⎨⎪=⎩ , 三式相乘得2221286a b c =⨯⨯ , 所以24abc = ,因此342a b c =⎧⎪=⎨⎪=⎩ , 又侧棱,,PA PB PC 两两垂直, 所以2222225513AB a b BC b c CA c a ⎧=+=⎪⎪=+=⎨⎪=+=⎪⎩由余弦定理可得cba CB A图 8-2222222cos 22BC CA AB BC CA AB BCA BC CA BC CA+-+-∠==()()222251322251365AB +-==⨯⨯ , 所以643611361S =+++=+表 ,体积11V 24466abc ==⨯= . 评注: 若三棱锥P ABC - 的侧棱,,PA PB PC 两两垂直, 则类比直角三角形中的勾股定理有,2222ABC PAB PBC PCA S S S S =++ (本题22264361ABC S =++= ),16P ABC V PA PB PC -=. 变式 1 如图8-3所示,在ABC 中, 45,90ABC BAC ∠=∠= ,AD 是BC 边上的高, 沿AD 把ABD 折起, 使90BDC ∠= . 若1BD = , 求三棱锥D ABC - 的表面积.变式 2 如图8-4(a)所示, 45,3ACB BC ∠== , 过动点A 作AD BC ⊥ , 垂足D 在线段BC 上且异于点B , 连接AB ,沿AD 将ABD 折起, 使90BDC ∠= (如图8-4(b)所示). 当BD 的长为多少时, 三棱锥A BCD - 的体积最大.变式3 已知正四棱锥S ABCD - 中, 23SA = , 那么当该棱锥的体积最大时, 它的高为( ).3 C. 2 D.3D ABCACDB(b)（a ）M E . ·图 8-4P例8.2 如图8-5所示, 在长方体1111ABCD A B C D - 中, 3AB AD cm == ,12AA cm = , 则四棱锥11A BB D D - 的体积为 cm 3.解析 如图8-6所示, 连接AC 交BD 于O , 在该长方体中3AB AD cm == , 故底面ABCD 为正方形, 即AO BD ⊥ , 且322AO cm =, 又显然平面11BB D D ⊥ 平面ABCD ,故AO ⊥ 平面11BB D D .所以()113111323226332A BB D D V BD BB AO cm -=⨯⨯=⨯⨯⨯= . 变式 1 (2012山东理14)如图8-7所示, 正方体1111ABCD A B C D - 的棱长为1, ,E F 分别为线段11,AA B C 上的点, 则三棱锥1D EDF - 的体积为 .思路提示半径为R 的球O , 表面积24S R π= , 体积343V R π=; 球面上,A B 两点的球面距离为R α , 其中AOB α=∠ (弧度制). 这里可知球的表面积、体积计算实质是求半径.例8.3 已知三个球的半径123,,R R R 满足12323R R R += , 则他们的表面积123,,S S S 满足的等量关系是 .解析 2114S R π= , 即112S R π=, 同理得222S R π=, 332S R π=, 由12323R R R += 得12323S S S = .变式1 若球12,O O 的表面积之比124S S = ,则他们的半径之比12RR = . 变式2 正方体的内切球与其外接球的体积之比为( )A. 1:1:题型2 几何体的外接球与内切球思路提示 (1)半径为R 的球O , 表面积24S R π= , 体积343V R π=.(2)设小圆1O 半径为1,r OO d = , 则222d r R += ; 若,A B 是1O 上两点, 则12sin2sin22AO B AOBAB r R ∠∠== .(3)作出关键的轴截面, 在此轴截面内寻找集合体的棱长或母线长与球之间关系.例8.4 已知正方体外接球的体积是323π , 那么正方形的棱长等于( )A.分析 正方体外接球的直径为正方体的体对角线.解析 设正方体的棱长为a , 外接球半径为R ,则324323323R R a R ππ=⎧⎧=⎪⎪⇒⎨⎨=⎪⎪=⎩⎩. 故选D.变式1 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额长分别为1,2,3, 则此球的表面积为 .变式2, 则该正四面体的外接球的表面积为 .例8.5 正三棱柱111ABC A B C - 内接于半径为2的球, 若,A B 两点的球面距离为π , 则正三棱柱的体积为 .解析 设O 为球心, 由题意知2222sin 2AOB AOB AOBAB AB ππ⎧⨯∠=⎧∠=⎪⎪⇒⎨⎨∠=⨯⎪⎪=⎩⎩ , 底面圆的半径为: 32sin 3ABπ== , 则正三棱柱的高为2= , 所以正三棱柱的体积为(2843⨯= . 变式1直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上, 若12,120AB AC AA BAC ===∠= , 则此球的表面积等于 .变式2 直三棱柱111ABC A B C -的6个顶点都在球O 的球面上, 若13,4,,12AB AC AB AC AA ==⊥= , 则球O 的半径为( ).B. 132D. 例8.6 一个正三棱锥的4个顶点都在半径为1的球面上, 其中底面的3个顶点在该球的一个大圆上, 则该正三棱锥的体积是( )解析 设正三棱锥的底面边长为a , 高为h ,由题意知22sin 311434aa h V V a h π⎧=⎪⎪⎧=⎪⎪⎪=⇒⎨⎨=⎪⎪⎩⎪=⨯⎪⎪⎩.故选C.变式 1 已知,,,S A B C 是球O 表面上的点, SA ⊥平面,,1,ABC AB BC SA AB BC ⊥===则球O 的表面积等于( )A. 4πB. 3πC. 2πD. π变式 2 已知三棱锥S ABC - 的所有顶点都在球O 的球面上, ABC 是边长为1的正三角形, SC 为O 的直径, 且2SC = , 则此棱锥的体积为( ).A.6B. 6C.3D. 2变式3高为4的四棱锥S ABCD - 的底面是边长为1的正方形, 点,,,,S A B C D 均在半径为1的同一球面上, 则底面ABCD 的中心与顶点S 之间的距离为( )A.4B. 2最有效训练题1. 若圆锥的侧面展开图是圆心角为120 , 半径为l 的扇形, 则这个圆锥的表面积与侧面积的比是( ).A. 3:2B. 2:1C. 4:3D. 5:3 2. 一个长方体上一个顶点所在的三个面的面积分别是, 这个长方体的体对角线长为( ).A.23B. 32C. 6D. 63. 如图8-8所示, 在等腰梯形ABCD 中, 22,60AB DC DAB ==∠= , E 为AB 的中点, 将ADE 与BEC 分别沿ED 和EC 向上折起, 使,A B 重合于点P , 则三棱锥P DCE - 的外接球的体积为( ).A.4327π B. 62π C. 68π D. 624π4. 过球的一条半径的中点作垂直于这条半径的球的截面, 则此截面面积是球表面积的( ).A.116 B. 316 C. 112D. 185. 侧棱长为4, 底面边长为3 的正三棱柱的各顶点均在同一个球面上, 则该球的表面积为( ).A. 76πB. 68πC. 20πD. 9π6. 已知在四棱锥,1,1,,02P ABCD AB PA AC ABC πθθ⎛⎫-==∠=<≤ ⎪⎝⎭, 则四棱锥p ABCD - 的体积V 的取值范围是( ).A. 21,63⎡⎫⎪⎢⎪⎣⎭B. 21,126⎛⎤ ⎥ ⎝⎦C. 21,63⎛⎤ ⎥ ⎝⎦D.21,126⎡⎫⎪⎢⎪⎣⎭7. 若一个圆锥的侧面展开图是面积为2π 的半圆面, 则该圆锥的体积为 . 8. 将圆心角为23π , 面积为3π 的扇形作为圆锥的侧面, 则圆锥的表面积等于 .9. 正四棱锥底面边长为4, 侧棱长为3, 则其体积为 .10. 用一平行于圆锥底面的平面截这个圆锥, 截得圆台上下底面的半径的比是1:4, 截去的圆锥的母线长是3cm, 则圆台的母线长为 cm.11. 如图8-9所示, 长方体1111-ABCD A B C D 中, 1,,BB AB a BC b c === , 并且0a b c >>> . 求沿着长方体的表面自A 到1C 的最短线的长.12. 底面半径为1, 高为3 的圆锥, 其内接圆柱的底面半径为R , 当R 为何值时, 内接圆柱的体积最大?。
高一数学空间几何体的表面积和体积知识点及题型例题
空间几何体的表面积和体积例题解析一．课标要求了解球、棱柱、棱锥、台的表面积和体积的计算公式（不要求记忆，理解为主）。
二．命题走向----用选择、填空题考查本章的基本性质和求积公式；三．要点精讲1．多面体的面积和体积公式表中S表示面积，c′、c分别表示上、下底面周长，h表斜高，h′表示斜高，l表示侧棱长。
2．旋转体的面积和体积公式表中l、h分别表示母线、高，r表示圆柱、圆锥与球冠的底半径，r1、r2分别表示圆台上、下底面半径，R表示半径。
四．典例解析题型1：柱体的体积和表面积例1．一个长方体全面积是20cm 2，所有棱长的和是24cm ，求长方体的对角线长. 解：设长方体的长、宽、高、对角线长分别为xcm 、ycm 、zcm 、lcm依题意得：⎩⎨⎧=++=++24)(420)(2z y x zx yz xy )2()1(由（2）2得：x 2+y 2+z 2+2xy+2yz+2xz=36（3） 由（3）－（1）得x 2+y 2+z 2=16 即l 2=16所以l =4(cm)。
点评：涉及棱柱面积问题的题目多以直棱柱为主，而直棱柱中又以正方体、长方体的表面积多被考察。
我们平常的学习中要多建立一些重要的几何要素（对角线、内切）与面积、体积之间的关系。
例2．如图1所示，在平行六面体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，已知AB=5，AD=4，AA 1=3，AB ⊥AD ，∠A 1AB=∠A 1AD=3π。
（1）求证：顶点A 1在底面ABCD 上的射影O 在∠BAD 的平分线上； （2）求这个平行六面体的体积。
图1 图2解析：（1）如图2，连结A 1O ，则A 1O ⊥底面ABCD 。
作OM ⊥AB 交AB 于M ，作ON ⊥AD 交AD 于N ，连结A 1M ，A 1N 。
由三垂线定得得A 1M ⊥AB ，A 1N ⊥AD 。
∵∠A 1AM=∠A 1AN ，∴Rt△A 1NA≌Rt△A 1MA,∴A 1M=A 1N ，从而OM=ON 。
高一数学空间几何体的表面积和体积知识点及题型例题
空间几何体的外表积与体积例题解析一．课标要求了解球、棱柱、棱锥、台的外表积与体积的计算公式〔不要求记忆，理解为主〕。
二．命题走向----用选择、填空题考察本章的根本性质与求积公式；三．要点精讲1．多面体的面积与体积公式表中S表示面积，c′、c分别表示上、下底面周长，h表斜高，h′表示斜高，l表示侧棱长。
2．旋转体的面积与体积公式表中l 、h 分别表示母线、高，r 表示圆柱、圆锥及球冠的底半径，r 1、r 2分别表示圆台 上、下底面半径，R 表示半径。
四．典例解析题型1：柱体的体积与外表积例1．一个长方体全面积是20cm 2，所有棱长的与是24cm ，求长方体的对角线长.解：设长方体的长、宽、高、对角线长分别为xcm 、ycm 、zcm 、lcm依题意得：⎩⎨⎧=++=++24)(420)(2z y x zx yz xy )2()1(由〔2〕2得：x 2+y 2+z 2+2xy+2yz+2xz=36〔3〕 由〔3〕－〔1〕得x 2+y 2+z 2=16 即l 2=16所以l =4(cm)。
点评：涉及棱柱面积问题的题目多以直棱柱为主，而直棱柱中又以正方体、长方体的外表积多被考察。
我们平常的学习中要多建立一些重要的几何要素〔对角线、内切〕及面积、体积之间的关系。
例2．如图1所示，在平行六面体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，AB=5，AD=4，AA 1=3，AB⊥AD，∠A 1AB=∠A 1AD=3π。
〔1〕求证：顶点A 1在底面ABCD 上的射影O 在∠BAD 的平分线上；〔2〕求这个平行六面体的体积。
图1 图2解析：〔1〕如图2，连结A 1O ，那么A 1O⊥底面ABCD 。
作OM⊥AB 交AB 于M ，作ON⊥AD 交AD 于N ，连结A 1M ，A 1N 。
由三垂线定得得A 1M⊥AB，A 1N⊥AD。
∵∠A 1AM=∠A 1AN ，∴Rt△A 1NA≌Rt△A 1MA,∴A 1M=A 1N ，从而OM=ON 。
2023年新高考数学一轮复习8-2 空间几何体的表面积和体积(知识点讲解)含详解
专题8.2 空间几何体的表面积和体积（知识点讲解）【知识框架】 【核心素养】1.通过考查几何体体积和表面积的计算，主要考查棱柱、棱锥或不规则几何体的特征及体积与表面积的计算，凸显数学运算、直观想象的核心素养．2.结合三视图、直观图、展开图、轴截面等，考查球的切、接问题，主要考查几何体与球的组合体的识辨，球的体积、表面积的计算，凸显数学运算、直观想象的核心素养．【知识点展示】（一）几何体的表面积圆柱的侧面积圆柱的表面积圆锥的侧面积圆锥的表面积圆台的侧面积圆台的表面积球体的表面积 柱体、锥体、台体的侧面积，就是各个侧面面积之和；表面积是各个面的面积之和，即侧面积与底面积之和.把柱体、锥体、台体的面展开成一个平面图形，称为它的展开图，圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图分别是矩形、扇形、扇环形它的表面积就是展开图的面积.（二）几何体的体积圆柱的体积rl S π2=)(2l r r S +=πrl S π=)(l r r S +=πl r r S )(+'=π)(22rl l r r r S +'++'=π24R S π=h r V 2π=圆锥的体积 圆台的体积 球体的体积 正方体的体积正方体的体积（三）常用结论多面体的内切球与外接球常用的结论(1)设正方体的棱长为a ，则它的内切球半径r ＝2a ，外接球半径R＝2a . (2)设长方体的长、宽、高分别为a ，b ，c ，则它的外接球半径R＝2. (3)设正四面体的棱长为a ，则它的高为H＝3a ，内切球半径r ＝14H＝12a ，外接球半径R ＝34H＝4a . 【常考题型剖析】题型一：空间几何体的表面积例1.（2021·全国·高考真题）北斗三号全球卫星导航系统是我国航天事业的重要成果．在卫星导航系统中，地球静止同步卫星的轨道位于地球赤道所在平面，轨道高度为36000km （轨道高度是指卫星到地球表面的距离）．将地球看作是一个球心为O ，半径r 为6400km 的球，其上点A 的纬度是指OA 与赤道平面所成角的度数．地球表面上能直接观测到一颗地球静止同步轨道卫星点的纬度最大值为α，记卫星信号覆盖地球表面的表面积为22(1cos )S r πα=-（单位：2km ），则S 占地球表面积的百分比约为（ ）A ．26%B ．34%C ．42%D ．50%例2.（2020·全国·高考真题（理））已知,,A B C 为球O 的球面上的三个点，⊙1O 为ABC 的外接圆，若⊙1O 的面积为4π，1AB BC AC OO ===，则球O 的表面积为（ ）A ．64πB ．48πC ．36πD ．32π例3．（2022·青海·海东市第一中学模拟预测（文））已知某圆台的母线长为2，母线与轴所在直线的夹角是60︒，且上、下底面的面积之比为1∶4，则该圆台外接球的表面积为（ ）A ．56πB ．64πC ．112πD ．128πh r V 231π=)(3122r r r r h V '++'=π334R V π=3a V =abc V =几类空间几何体表面积的求法(1)多面体：其表面积是各个面的面积之和．(2)旋转体：其表面积等于侧面面积与底面面积的和．(3)简单组合体：应搞清各构成部分，并注意重合部分的删、补．(4)若以三视图形式给出，解题的关键是根据三视图，想象出原几何体及几何体中各元素间的位置关系及数量关系．题型二：空间几何体的体积例4. （2023·河南·洛宁县第一高级中学一模（文））若圆锥的母线与底面所成的角为π6，则该圆锥的体积为（ ）A ．π2B ．πC ．2πD ．3π例5.（2022·全国·高考真题）南水北调工程缓解了北方一些地区水资源短缺问题，其中一部分水蓄入某水库.已知该水库水位为海拔1485m ．时，相应水面的面积为21400km ．；水位为海拔1575m ．时，相应水面的面积为21800km ．，将该水库在这两个水位间的形状看作一个棱台，则该水库水位从海拔1485m ．上升到1575m ．时，2.65）（ ）A ．931.010m ⨯B ．931.210m ⨯C ．931.410m ⨯D ．931.610m ⨯例6.（2022·全国·高考真题（理））甲、乙两个圆锥的母线长相等，侧面展开图的圆心角之和为2π，侧面积分别为S 甲和S 乙，体积分别为V 甲和V 乙．若=2S S 甲乙，则=V V 甲乙（ ）AB ．CD 例7.（2022·湖北·黄石市有色第一中学模拟预测）阿基米德多面体也称为半正多面体，是以边数不全相同的正多边形为面围成的多面体．如图，已知阿基米德多面体的所有顶点均是一个棱长为2的正方体各条棱的中点，则该阿基米德多面体的体积为______；若M ，N 是该阿基米德多面体表面上任意两点，则M ，N 两点间距离的最大值为______．1.处理体积问题的思路(1)“转”：指的是转换底面与高，将原来不易求面积的底面转换为易求面积的底面，或将原来不易看出的高转换为易看出并易求解长度的高，即等体积法；(2)“拆”：指的是将一个不规则的几何体拆成几个简单的几何体，便于计算，即分割法；(3)“拼”：指的是将小几何体嵌入一个大几何体中，如将一个三棱锥复原成一个三棱柱，将一个三棱柱复原成一个四棱柱，这些都是拼补的方法，即补形法．2.求体积的两种方法：①割补法：求一些不规则几何体的体积时，常用割补法转化成已知体积公式的几何体进行解决.②等积法：等积法包括等面积法和等体积法.等体积法的前提是几何图形(或几何体)的面积(或体积)通过已知条件可以得到，利用等积法可以用来求解几何图形的高或几何体的高，特别是在求三角形的高和三棱锥的高时，这一方法回避了通过具体作图得到三角形(或三棱锥)的高，而通过直接计算得到高的数值.题型三：三视图与几何体的面积、体积例8．（2020·全国·高考真题（文））下图为某几何体的三视图，则该几何体的表面积是（）A．6+42B．4+42C．6+23D．4+23例9. （2020·浙江·高考真题）某几何体的三视图（单位：cm）如图所示，则该几何体的体积（单位：cm3）是（）A．73B．143C．3D．6例10.（2022·浙江省春晖中学模拟预测）某几何体的三视图如图，其中正视图是腰长为2的等腰三角形，侧视图是半径为1的半圆，则该几何体的表面积是___________，体积是___________.【总结提升】求空间几何体体积的常见类型及思路（1）规则几何体：若所给定的几何体是柱体、锥体或台体等规则几何体，则可直接利用公式进行求解．其中，求三棱锥的体积常用等体积转换法（2）不规则几何体：若所给定的几何体是不规则几何体，则将不规则的几何体通过分割或补形转化为规则几何体，再利用公式求解.题型四：简单几何体的外接球与内切球问题例11.（2021·天津·高考真题）两个圆锥的底面是一个球的同一截面，顶点均在球面上，若球的体积为323π，两个圆锥的高之比为1:3，则这两个圆锥的体积之和为（ ）A ．3πB ．4πC ．9πD ．12π例12.（2020·全国高考真题（理））已知△ABC O 的球面上.若球O 的表面积为16π，则O 到平面ABC 的距离为（ ）A B ．32 C ．1 D例13.（2020·全国·高考真题（理））已知△ABC O 的球面上.若球O 的表面积为16π，则O 到平面ABC 的距离为（ ）AB ．32C ．1D 例14.（2019·全国·高考真题（理））已知三棱锥P -ABC 的四个顶点在球O 的球面上，P A =PB =PC ，△ABC 是边长为2的正三角形，E ，F 分别是P A ，AB 的中点，∠CEF =90°，则球O 的体积为（ ）A． B． C． D例15.(2017·全国卷Ⅲ)已知圆柱的高为1，它的两个底面的圆周在直径为2的同一个球的球面上，则该圆柱的体积为( )A ．πB ．34πC ．2πD ．4π 例16.(2016·全国卷Ⅲ)在封闭的直三棱柱ABC A 1B 1C 1内有一个体积为V 的球．若AB ⊥BC ，AB ＝6，BC ＝8，AA 1＝3，则V 的最大值是( )A ．4πB ．9π2C ．6πD ．32π3例17.（2021·福建·厦门大学附属科技中学高三阶段练习）某同学在参加魔方实践课时，制作了一个工艺品，如图所示，该工艺品可以看成是一个球被一个棱长为（球心与正方体的中心重合），若其中一个截面圆的周长为6π，则该球的表面积是______．例18. (2019年高考天津卷理)的正方形，侧棱长均若圆柱的一个底面的圆周经过四棱锥四条侧棱的中点，另一个底面的圆心为四棱锥底面的中心，则该圆柱的体积为_____________．例19.（2020·全国·高考真题（文））已知圆锥的底面半径为1，母线长为3，则该圆锥内半径最大的球的体积为_________．【总结提升】1.常见类型：（1）利用长方体的体对角线探索外接球半径；（2）利用长方体的面对角线探索外接球半径；（3）利用底面三角形与侧面三角形的外心探索球心；（4）利用直棱柱上下底面外接圆圆心的连线确定球心；（5）锥体的内切球问题；（6）柱体的内切球问题2.与球有关的组合体问题，一种是内切，一种是外接．球与旋转体的组合通常是作它们的轴截面解题，球与多面体的组合，通过多面体的一条侧棱和球心，或“切点”、“接点”作出截面图，把空间问题化归为平面问题．3．若球面上四点P ，A ，B ，C 中PA ，PB ，PC 两两垂直或三棱锥的三条侧棱两两垂直，可构造长方体或正方25体确定直径解决外接问题．专题8.2 空间几何体的表面积和体积（知识点讲解）【知识框架】 【核心素养】1.通过考查几何体体积和表面积的计算，主要考查棱柱、棱锥或不规则几何体的特征及体积与表面积的计算，凸显数学运算、直观想象的核心素养．2.结合三视图、直观图、展开图、轴截面等，考查球的切、接问题，主要考查几何体与球的组合体的识辨，球的体积、表面积的计算，凸显数学运算、直观想象的核心素养．【知识点展示】（一）几何体的表面积圆柱的侧面积圆柱的表面积圆锥的侧面积圆锥的表面积圆台的侧面积圆台的表面积球体的表面积 柱体、锥体、台体的侧面积，就是各个侧面面积之和；表面积是各个面的面积之和，即侧面积与底面积之和.把柱体、锥体、台体的面展开成一个平面图形，称为它的展开图，圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图分别是矩形、扇形、扇环形它的表面积就是展开图的面积.（二）几何体的体积圆柱的体积rl S π2=)(2l r r S +=πrl S π=)(l r r S +=πl r r S )(+'=π)(22rl l r r r S +'++'=π24R S π=h r V 2π=圆锥的体积 圆台的体积 球体的体积 正方体的体积正方体的体积（三）常用结论多面体的内切球与外接球常用的结论(1)设正方体的棱长为a ，则它的内切球半径r ＝2a ，外接球半径R＝2a . (2)设长方体的长、宽、高分别为a ，b ，c ，则它的外接球半径R. (3)设正四面体的棱长为a ，则它的高为H＝3a ，内切球半径r ＝14H＝12a ，外接球半径R ＝34H＝4a . 【常考题型剖析】题型一：空间几何体的表面积例1.（2021·全国·高考真题）北斗三号全球卫星导航系统是我国航天事业的重要成果．在卫星导航系统中，地球静止同步卫星的轨道位于地球赤道所在平面，轨道高度为36000km （轨道高度是指卫星到地球表面的距离）．将地球看作是一个球心为O ，半径r 为6400km 的球，其上点A 的纬度是指OA 与赤道平面所成角的度数．地球表面上能直接观测到一颗地球静止同步轨道卫星点的纬度最大值为α，记卫星信号覆盖地球表面的表面积为22(1cos )S r πα=-（单位：2km ），则S 占地球表面积的百分比约为（ ）A ．26%B ．34%C ．42%D ．50%【答案】C【解析】【分析】由题意结合所给的表面积公式和球的表面积公式整理计算即可求得最终结果.【详解】由题意可得，S 占地球表面积的百分比约为： 226400164003600002(1.cos )1cos 44242%22r r πααπ---+==≈=.h r V 231π=)(3122r r r r h V '++'=π334R V π=3a V =abc V =故选：C.例2.（2020·全国·高考真题（理））已知,,A B C 为球O 的球面上的三个点，⊙1O 为ABC 的外接圆，若⊙1O 的面积为4π，1AB BC AC OO ===，则球O 的表面积为（ ）A ．64πB ．48πC ．36πD ．32π 【答案】A【解析】【分析】由已知可得等边ABC 的外接圆半径，进而求出其边长，得出1OO 的值，根据球的截面性质，求出球的半径，即可得出结论.【详解】设圆1O 半径为r ，球的半径为R ，依题意，得24,2r r ππ=∴=，ABC 为等边三角形，由正弦定理可得2sin 60AB r =︒=，1OO AB ∴==1OO ⊥平面ABC ，11,4OO O A R OA ∴⊥====，∴球O 的表面积2464S R ππ==.故选：A例3．（2022·青海·海东市第一中学模拟预测（文））已知某圆台的母线长为2，母线与轴所在直线的夹角是60︒，且上、下底面的面积之比为1⊙4，则该圆台外接球的表面积为（ ） A ．56πB ．64πC ．112πD ．128π 【答案】C【解析】【分析】作出圆台的轴截面等腰梯形，其外接圆是圆台外接球的大圆，在这个轴截面中进行计算可得．【详解】如图等腰梯形ABCD 是圆台的轴截面，EF 是圆台的对称轴，圆台上、下底面的面积之比为1：4，则半径比为1：2，设圆台上、下底面半径分别为r ，2r ，因母线与轴的夹角是60︒，母线长为2，可得圆台的高为1，r =R ，球心到下底面（大圆面）的距离为x ，若球心在圆台两底面之间，如图点M 位置，则222R x =+且222(1)R x =-+，无解；若圆台两底面在球心同侧，如图点O 位置，则222R x =+且222(1)R x =++，解得4x =，则228R =， 则该圆台外接球的表面积为2112R 4π=π．故选：C ．【总结提升】几类空间几何体表面积的求法(1)多面体：其表面积是各个面的面积之和．(2)旋转体：其表面积等于侧面面积与底面面积的和．(3)简单组合体：应搞清各构成部分，并注意重合部分的删、补．(4)若以三视图形式给出，解题的关键是根据三视图，想象出原几何体及几何体中各元素间的位置关系及数量关系．题型二：空间几何体的体积例4. （2023·河南·洛宁县第一高级中学一模（文））若圆锥的母线与底面所成的角为π6，则该圆锥的体积为（ ）A ．π2B ．πC ．2πD ．3π【答案】B【解析】【分析】设圆锥的高为h ，利用母线与底面所成角求出高即可得解.【详解】设圆锥的高为h ， 因为母线与底面所成的角为π6，所以πtan 61h =．圆锥的体积2π1π3=⨯⨯=V ． 故选：B例5.（2022·全国·高考真题）南水北调工程缓解了北方一些地区水资源短缺问题，其中一部分水蓄入某水库.已知该水库水位为海拔1485m ．时，相应水面的面积为21400km ．；水位为海拔1575m ．时，相应水面的面积为21800km ．，将该水库在这两个水位间的形状看作一个棱台，则该水库水位从海拔1485m ．上升到1575m ．时，2.65）（ ）A ．931.010m ⨯B ．931.210m ⨯C ．931.410m ⨯D ．931.610m ⨯ 【答案】C【解析】【分析】根据题意只要求出棱台的高，即可利用棱台的体积公式求出．【详解】依题意可知棱台的高为157.5148.59MN =-=(m)，所以增加的水量即为棱台的体积V ．棱台上底面积262140.014010S ==⨯km m ，下底面积262180.018010S '==⨯km m ，∴((66119140101801033V h S S =+=⨯⨯⨯+⨯' ()()679933320607109618 2.6510 1.43710 1.410(m )=⨯+⨯≈+⨯⨯=⨯≈⨯．故选：C ．例6.（2022·全国·高考真题（理））甲、乙两个圆锥的母线长相等，侧面展开图的圆心角之和为2π，侧面积分别为S 甲和S 乙，体积分别为V 甲和V 乙．若=2S S 甲乙，则=V V 甲乙（ ） AB．CD【答案】C【解析】【分析】 设母线长为l ，甲圆锥底面半径为1r ，乙圆锥底面圆半径为2r ，根据圆锥的侧面积公式可得122r r =，再结合圆心角之和可将12,r r 分别用l 表示，再利用勾股定理分别求出两圆锥的高，再根据圆锥的体积公式即可得解.【详解】解：设母线长为l ，甲圆锥底面半径为1r ，乙圆锥底面圆半径为2r ， 则11222S rl r S r l r ππ===甲乙， 所以122r r =， 又12222r r l lπππ+=， 则121r r l +=， 所以1221,33r l r l ==，所以甲圆锥的高1h ==，乙圆锥的高2h ==，所以221122214313r h l V V r h ππ==甲乙 故选：C.例7.（2022·湖北·黄石市有色第一中学模拟预测）阿基米德多面体也称为半正多面体，是以边数不全相同的正多边形为面围成的多面体．如图，已知阿基米德多面体的所有顶点均是一个棱长为2的正方体各条棱的中点，则该阿基米德多面体的体积为______；若M ，N 是该阿基米德多面体表面上任意两点，则M ，N 两点间距离的最大值为______．【答案】 203##263 22##322 【解析】【分析】第一空，将该多面体置于正方体中，由此可知该阿基米德多面体是由正方体切掉8个全等的三棱锥形成，由此可求得其体积；第二空，结合阿基米德多面体的外接球刚好是补形后正方体的棱切球，再求M ，N 两点间距离的最大值即可.【详解】依题意，可将该多面体补成一个棱长为2的正方体，如图，所以该阿基米德多面体是由正方体切掉8个全等的三棱锥形成，其体积112088111323V =-⨯⨯⨯⨯⨯=; 该阿基米德多面体的外接球刚好是正方体的棱切球，即与正方体的各条棱相切于棱的中点的球，该球直径为M ，N 两点间距离的最大值为外接球的直径，则max MN =故答案为:203； 【总结提升】1.处理体积问题的思路(1)“转”：指的是转换底面与高，将原来不易求面积的底面转换为易求面积的底面，或将原来不易看出的高转换为易看出并易求解长度的高，即等体积法；(2)“拆”：指的是将一个不规则的几何体拆成几个简单的几何体，便于计算，即分割法；(3)“拼”：指的是将小几何体嵌入一个大几何体中，如将一个三棱锥复原成一个三棱柱，将一个三棱柱复原成一个四棱柱，这些都是拼补的方法，即补形法．2.求体积的两种方法：①割补法：求一些不规则几何体的体积时，常用割补法转化成已知体积公式的几何体进行解决.②等积法：等积法包括等面积法和等体积法.等体积法的前提是几何图形(或几何体)的面积(或体积)通过已知条件可以得到，利用等积法可以用来求解几何图形的高或几何体的高，特别是在求三角形的高和三棱锥的高时，这一方法回避了通过具体作图得到三角形(或三棱锥)的高，而通过直接计算得到高的数值.题型三：三视图与几何体的面积、体积例8．（2020·全国·高考真题（文））下图为某几何体的三视图，则该几何体的表面积是（）A．6+42B．4+42C．6+23D．4+23【答案】C【解析】【分析】根据三视图特征，在正方体中截取出符合题意的立体图形，求出每个面的面积，即可求得其表面积.【详解】根据三视图特征，在正方体中截取出符合题意的立体图形根据立体图形可得：12222ABC ADC CDBS S S===⨯⨯=△△△根据勾股定理可得：AB AD DB===∴ADB△是边长为根据三角形面积公式可得：211sin 6022ADB S AB AD =⋅⋅︒==△该几何体的表面积是：632⨯++ 故选：C.例9. （2020·浙江·高考真题）某几何体的三视图（单位：cm ）如图所示，则该几何体的体积（单位：cm 3）是（ ）A ．73B ．143C ．3D ．6【答案】A【解析】【分析】根据三视图还原原图，然后根据柱体和锥体体积计算公式，计算出几何体的体积.【详解】由三视图可知，该几何体是上半部分是三棱锥，下半部分是三棱柱，且三棱锥的一个侧面垂直于底面，且棱锥的高为1，棱柱的底面为等腰直角三角形，棱柱的高为2，所以几何体的体积为：11117211212232233⎛⎫⎛⎫⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭. 故选：A例10.（2022·浙江省春晖中学模拟预测）某几何体的三视图如图，其中正视图是腰长为2的等腰三角形，侧视图是半径为1的半圆，则该几何体的表面积是___________，体积是___________.【答案】232π+33π##3π3【解析】【分析】先画出直观图，再求出圆锥的高，求出两个半圆锥的侧面积之和，从而求出此几何体的表面积和体积.【详解】该几何体为两个底面半径为1，母线长为2的半圆锥拼接而成，设圆锥的高为h，由勾股定理得：413h=-=，则两个半圆锥的侧面积之和为12π22π2⨯⨯=，如图，AB =2CD =，且AB CD ⊥，所以四边形ADBC 的面积为22÷=， 该几何体的表面积为232π+，该几何体的体积为21π13⨯=故答案为：2π 【总结提升】 求空间几何体体积的常见类型及思路（1）规则几何体：若所给定的几何体是柱体、锥体或台体等规则几何体，则可直接利用公式进行求解．其中，求三棱锥的体积常用等体积转换法（2）不规则几何体：若所给定的几何体是不规则几何体，则将不规则的几何体通过分割或补形转化为规则几何体，再利用公式求解.题型四：简单几何体的外接球与内切球问题例11.（2021·天津·高考真题）两个圆锥的底面是一个球的同一截面，顶点均在球面上，若球的体积为323π，两个圆锥的高之比为1:3，则这两个圆锥的体积之和为（ ）A ．3πB ．4πC ．9πD ．12π 【答案】B【解析】作出图形，计算球体的半径，可计算得出两圆锥的高，利用三角形相似计算出圆锥的底面圆半径，再利用锥体体积公式可求得结果.【详解】如下图所示，设两个圆锥的底面圆圆心为点D ，设圆锥AD 和圆锥BD 的高之比为3:1，即3AD BD =，设球的半径为R ，则343233R ππ=，可得2R =，所以，44AB AD BD BD =+==， 所以，1BD =，3AD =，CD AB ⊥，则90CAD ACD BCD ACD ∠+∠=∠+∠=，所以，CAD BCD ∠=∠，又因为ADC BDC ∠=∠，所以，ACD CBD △∽△，所以，AD CD CD BD=，CD ∴= 因此，这两个圆锥的体积之和为()21134433CD AD BD πππ⨯⋅+=⨯⨯=. 故选：B.例12.（2020·全国高考真题（理））已知△ABC O 的球面上.若球O 的表面积为16π，则O 到平面ABC 的距离为（ ）A B ．32 C ．1 D ．2【答案】C【解析】 设球O 的半径为R ，则2416R ππ=，解得：2R =.设ABC 外接圆半径为r ，边长为a ，ABC21224a ∴⨯=，解得：3a =，2233r ∴===，∴球心O 到平面ABC 的距离1d ===.故选：C.例13.（2020·全国·高考真题（理））已知△ABC O 的球面上.若球O 的表面积为16π，则O 到平面ABC 的距离为（ ）AB ．32C ．1D 【答案】C【解析】【分析】根据球O 的表面积和ABC 的面积可求得球O 的半径R 和ABC 外接圆半径r ，由球的性质可知所求距离d = 【详解】设球O 的半径为R ，则2416R ππ=，解得：2R =.设ABC 外接圆半径为r ，边长为a ，ABC212a ∴=3a =，2233r ∴==∴球心O 到平面ABC 的距离1d .故选：C.【点睛】本题考查球的相关问题的求解，涉及到球的表面积公式和三角形面积公式的应用；解题关键是明确球的性质，即球心和三角形外接圆圆心的连线必垂直于三角形所在平面.例14.（2019·全国·高考真题（理））已知三棱锥P -ABC 的四个顶点在球O 的球面上，P A =PB =PC ，△ABC 是边长为2的正三角形，E ，F 分别是P A ，AB 的中点，∠CEF =90°，则球O 的体积为（ ）A ．B ．C ． D【答案】D【解析】【分析】先证得PB ⊥平面PAC ，再求得PA PB PC ===P ABC -为正方体一部分，进而知正方体的体对角线即为球直径，从而得解.【详解】解法一:,PA PB PC ABC ==∆为边长为2的等边三角形，P ABC ∴-为正三棱锥，PB AC ∴⊥，又E ，F 分别为PA 、AB 中点，//EF PB ∴，EF AC ∴⊥，又EF CE ⊥，,CE AC C EF =∴⊥平面PAC ，PB ⊥平面PAC ，APB PA PB PC ∴∠=90︒,∴===，P ABC ∴-为正方体一部分，2R ==34433R V R =∴=π==π，故选D ． 解法二:设2PA PB PC x ===，,E F 分别为,PA AB 中点，//EF PB ∴，且12EF PB x ==，ABC ∆为边长为2的等边三角形，CF ∴=90CEF ∠=︒1,2CE AE PA x ∴=== AEC ∆中余弦定理()2243cos 22x x EAC x +--∠=⨯⨯，作PD AC ⊥于D ，PA PC =， D 为AC 中点，1cos 2AD EAC PA x ∠==，2243142x x x x+-+∴=，2212122x x x ∴+=∴==PA PB PC ∴=====2AB BC AC ，,,PA PB PC ∴两两垂直，2R ∴R ∴=，34433V R ∴=π==，故选D. 例15.(2017·全国卷Ⅲ)已知圆柱的高为1，它的两个底面的圆周在直径为2的同一个球的球面上，则该圆柱的体积为( )A ．π B ．34π C ．2π D ．4π 【答案】B 【解析】设圆柱的底面半径为r ，球的半径为R ，且R ＝1，由圆柱两个底面的圆周在同一个球的球面上可知，r ，R 及圆柱的高的一半构成直角三角形．∴2r ==. ∴圆柱的体积为V ＝πr 2h ＝34π×1＝34π. 故选B ．例16.(2016·全国卷Ⅲ)在封闭的直三棱柱ABC A 1B 1C 1内有一个体积为V 的球．若AB ⊥BC ，AB ＝6，BC ＝8，AA 1＝3，则V 的最大值是( )A ．4πB ．9π2C ．6πD ．32π3【答案】B【解析】由题意得要使球的体积最大，则球与直三棱柱的若干面相切．设球的半径为R ，∵△ABC 的内切圆半径为68102+-＝2，∴R ≤2. 又2R ≤3，∴R ≤32，∴V ma x ＝3439()322ππ=.故选B ． 点睛：解答本题的关键是当V 取得最大值时，球与上下底面还是与侧面相切的问题．例17.（2021·福建·厦门大学附属科技中学高三阶段练习）某同学在参加魔方实践课时，制作了一个工艺品，如图所示，该工艺品可以看成是一个球被一个棱长为（球心与正方体的中心重合），若其中一个截面圆的周长为6π，则该球的表面积是______．【答案】144π【解析】【分析】设球心为O ，作出过球心的截面图如图所示，然后根据已知条件结合球的性质求解即可.【详解】 设球心为O，作出过球心的截面图如图所示，则OA =由截面圆的周长为6π，得26AB ππ⨯=，∴3AB =，6．所以该球的表面积为246=144ππ⨯.故答案为：144π.例18. (2019年高考天津卷理)的正方形，侧棱长若圆柱的一个底面的圆周经过四棱锥四条侧棱的中点，另一个底面的圆心为四棱锥底面的中心，则该圆柱的体积为_____________．【答案】，借助勾股定理，可知四棱锥的高.若圆柱的一个底面的圆周经过四棱锥四条侧棱的中点，一个底面的圆心为四棱锥底面的中心，故圆柱的高为，圆柱的底面半径为， 故圆柱的体积为. 例19.（2020·全国·高考真题（文））已知圆锥的底面半径为1，母线长为3，则该圆锥内半径最大的球的体积为_________．【解析】【分析】将原问题转化为求解圆锥内切球的问题，然后结合截面确定其半径即可确定体积的值.【详解】 25π42=11221ππ124⎛⎫⨯⨯= ⎪⎝⎭易知半径最大球为圆锥的内切球，球与圆锥内切时的轴截面如图所示，其中2,3BC AB AC ===，且点M 为BC 边上的中点，设内切圆的圆心为O ， 由于223122AM =-=，故1222222S =⨯⨯=△ABC ， 设内切圆半径为r ，则：ABC AOB BOC AOC S S S S =++△△△△111222AB r BC r AC r =⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯()13322r =⨯++⨯=解得：22r，其体积：343V r π==.. 【总结提升】1.常见类型：（1）利用长方体的体对角线探索外接球半径；（2）利用长方体的面对角线探索外接球半径；（3）利用底面三角形与侧面三角形的外心探索球心；（4）利用直棱柱上下底面外接圆圆心的连线确定球心；（5）锥体的内切球问题；（6）柱体的内切球问题2.与球有关的组合体问题，一种是内切，一种是外接．球与旋转体的组合通常是作它们的轴截面解题，球与多面体的组合，通过多面体的一条侧棱和球心，或“切点”、“接点”作出截面图，把空间问题化归为平面问题．3．若球面上四点P ，A ，B ，C 中PA ，PB ，PC 两两垂直或三棱锥的三条侧棱两两垂直，可构造长方体或正方体确定直径解决外接问题．。
2022新高考数学高频考点题型归纳33空间几何体的表面积与体积(学生版)
S圆锥侧＝πrl
S圆台侧＝π(r1＋r2)l
2.柱、锥、台、球的表面积和体积
名称
几何体
表面积
体积
柱体(棱柱和圆柱)
S表面积＝S侧＋2S底
V＝Sh
锥体(棱锥和圆锥)
S表面积＝S侧＋S底
V＝ Sh
台体(棱台和圆台)
S表面积＝S侧＋S上＋S下
V＝ (S上＋S下＋ )h
球
S＝4πR2
V＝ πR3
A． B． C． D．
对点训练2．（2021·上海期末）五月五是端午，门插艾，香满堂，吃粽子，蘸白糖，粽子古称“角黍”，是我国南北各地的节令食品，因各地风俗不同，粽子的形状和食材也会不同，有一种各面都是正三角形的正四面体形粽子，若该正四面体粽子的棱长为8cm，则现有1立方米体积的食材，最多可以包成这种粽子_______个.
对点训练3.已知正三棱锥的高为1，底面边长为2 ，内有一个球与四个面都相切，则棱锥的内切球的半径为________．
考点七、表面积、体积的最值
例7-1.单位正方体内部或边界上不共面的四个点构成的四面体体积的最大值为（）
A． B． C． D．
例7-2.已知正方形 的边长为 ，将 沿对角线 折起，使平面 平面 ，得到三棱锥 ．若O为 的中点，点 ， 分别为 ， 上的动点（不包括端点），且 ，则当点 到平面 的距离为________时，三棱锥 的体积取得最大值，且最大值是________．
对点训练3．（2021·浙江期末）在四面体 中， ， ， ， ，若四面体 的外接球半径为 ，则四面体 的体积的最大值为_________．
考点八、截面面积
例8.（2021·安徽马鞍山高三）已知正方体 的棱长为 ，直线 平面 ，平面 截此正方体所得截面中，正确的说法是（）
高中数学空间几何体的表面积与体积知识总结+练习
空间中点、线、面间的位置关系点 共线的条件 线共点的条件确定平面的条件空间几何体的体积 棱柱圆柱的体积 棱台圆台的体积球的体积棱锥圆锥的体积 空间几何体的表面积 直棱柱的表面积 正棱锥的表面积 球的表面积正棱台的表面积空间几何体与平面的基本性质空间几何体的表面积与体积要求层次重难点球、棱柱、棱锥的表面积和体积A了解球、棱柱、棱锥、台的表面积和体积的计算公式（不要求记忆公式）．（一） 知识内容1．直棱柱与圆柱的侧面积等于它的底面周长和高（母线）的乘积．()S S ch =直棱柱侧圆柱，其中c 为底面的周长，h 为直棱柱（圆柱）的高，也即侧棱（母线）长； 2．正棱锥（圆锥）的侧面积等于它的底面周长和斜高（母线）乘积的一半．11''22S ch nah ==正棱锥侧，其中a 为底面边长，'h 为斜高；1π2S cl rl ==圆锥侧，其中c 为底面周长，r 为圆锥的底面半径，l 为母线长；3．正棱台（圆台）的侧面积等于它的上下底面周长之和与斜高（母线）乘积的一半．例题精讲高考要求知识框架板块一：空间几何体的表面积空间几何体的表面积与体积1(')'(')'22nS c c h a a h =+=+正棱台侧，其中,'a a 分别是正棱台上下底面的边长，'h 为斜高； 1(')π(')2S c c l r r l =+=+正圆台侧，其中,'r r 分别是圆台上下底面的半径，l 为母线长；4．球面面积等于它的大圆面积的四倍，24πS R =球，R 为球的半径．1．除了球面，这里提到的其它几何体的表面都可以展开，侧面积公式和表面积公式可以直接推导出来．2．要提醒学生注意空间与平面问题的转化，对这几种几何体的侧面展开图，轴截面的图等有个比较清晰的印象，在计算时能灵活转化．5．柱体（棱柱，圆柱）体积公式：V Sh =柱体，其中S 为底面积，h 为高；6．棱体（棱锥，圆锥）的体积公式：13V Sh =棱体，其中S 为底面积，h 为高；7．台体（棱台，圆台）的体积公式：1(')3V h S S =台体，其中',S S 分别是台体上，下底面的面积，h 为台体的高；8．球的体积：34π3V R =球，R 为球的半径．对柱体与锥体体积公式的推导，课本上是以长方体的体积公式为基础的，根据祖暅原理得到的．祖暅原理：幂势相同，则积不容异．即夹在两个平行平面间的两个几何体，被平行于这两个平面的任意平面所截，如果截得的两个截面的面积总相等，那么这两个几何体体积相等．祖暅提出的“幂势既同，则积不容异”，及“体积之比等于对应截面积之比”，在这里是当作公理使用．提法“幂势既同，则积不容异”，在西方通常叫做“卡瓦列利原理”．卡瓦列利在他的名著《连续不可分几何》中提出这一原理，这本书出版于1635年． 课本对柱体和锥体体积公式的推导过程： ⑴长方体的体积V Sh =；⑵利用祖暅原理可以说明：等底面积等高的长方体与柱体的体积相等， 故柱体的体积为：V Sh =；⑶利用祖暅原理可以说明：等底面积等高的锥体的体积均相等；⑷三棱柱可以分割成三个体积相等的锥，故锥体的体积为13V Sh =；321C 1CB 1A 1A 1B 1CBA 1ABCA 1B 1C 1CBA⑸利用两个锥体做差可得台体的体积公式1(')3V S S h =．（二）典例分析：【例1】轴截面是正方形的圆柱叫等边圆柱．已知：等边圆柱的底面半径为r，求全面积．【例2】轴截面是正三角形的圆锥叫等边圆锥．已知：等边圆锥底面半径为r，求全面积．【例3】已知圆台的上下底面半径分别是2、5，且侧面面积等于两底面面积之和，求该圆台的母线长．【例4】底面是菱形的直棱柱，它的对角线的长分别是9和15，高是5，求这个棱柱的侧面积．【例5】侧面都是直角三角形的正三棱锥，若底面边长为2，则三棱锥的全面积是多少？【例6】侧面都是直角三角形的正三棱锥，若底面边长为a，则三棱锥的全面积是多少？【例7】平面截球得到半径是3的圆面，球心到这个平面的距离是4，则该球的表面积是（）A．20πB C．100πD．500π3【例8】正方体全面积为24，求它的外接球和内切球的表面积．【例9】将一个边长为4和8的矩形纸片卷成一个圆柱，则圆柱的底面半径为．【例10】正四棱台的斜高为4，侧棱长为5，侧面积为64，求棱台上、下底的边长．【例11】正四棱台的斜高为12，侧棱长为13，侧面积为720，求棱台上、下底的边长．【例12】 正三棱台111ABC A B C -中，已知10AB =，棱台的侧面积为，1O O ，分别为上、下底面正三角形的中心，1D D 为棱台的斜高，160D DA ∠=︒，求上底面的边长．【例13】 过球的一条半径的中点，作垂直于该半径的平面，则所得截面的面积与球的表面积的比为（ ）A ．316B ．916C ．38 D ．932【例14】 棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -的8个顶点都在球O 的表面上，E F ，分别是棱1AA ，1DD 的中点，则直线EF 被球O 截得的线段长为（ ） AB ．1 C．1+ D【例15】 如图所示，半径为R 的半圆内的阴影部分以直径AB 所在直线为轴，旋转一周得到一几何体，求该几何体的表面积（其中30BAC ∠=︒）．B【例16】 圆锥的侧面展开图是半径为a 的半圆面，求圆锥的母线与轴的夹角的大小，轴截面的面积．【例17】 圆台的上下底面半径分别是2、5，且侧面面积等于两底面面积之和，求该圆台的母线长．【例18】 圆台的内切球半径为R ，且圆台的全面积和球面积之比为218，求圆台的上，下底面半径12,r r （12r r <）．【例19】 已．求圆锥的表面积．【例20】 有两个相同的直三棱柱，高为2a，底面三角形的三边长分别为3a 、4a 、5a ()0a >． 用它们拼成一个三棱柱或四棱柱，在所有可能的情形中，全面积最小的是一个四棱柱，则a 的取值范围是 ．【例21】 若，则其外接球的表面积是 ．ABCD【例22】 正四面体棱长为a ，求其外接球和内切球的表面积．【例23】 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 ．【例24】 直三棱柱111ABC A B C -的各顶点都在同一球面上，若12AB AC AA ===，120°BAC ∠=，则此球的表面积等于 ．【例25】 若A ，B 两点在半径为2的球面上，且以线段AB 为直径的小圆周长为2π，则此球的表面积为___________，A ，B 两点间的球面距离为__________．【例26】 已知球的表面积为20π，球面上有A 、B 、C 三点．如果2AB AC ==，BC =，则球心到平面ABC 的距离为（ ）A ．1 BCD ．2【例27】 球面上有三点A ，B ，C 组成这个球的一个截面的内接三角形三个顶点，已知球的半径为R ，且A ，C 两点的球面距离为π2R ，A ，B 两点及B ，C 两点的球面距离均为π3R ，球心到这个截面的距离为6，求球的表面积．【例28】 设圆锥的底面半径为2，高为3，求：⑴内接正方体的棱长； ⑵内切球的表面积．【例29】 如图，正四棱锥P ABCD -底面的四个顶点,,,A B C D 在球O 的同一个大圆上，点P 在球面上，如果163P ABCD V -=，则球O 的表面积是（ ） A ．4πB ．8πC ．12πD ．16π【例30】 一间民房的屋顶有如下图三种不同的盖法：①单向倾斜；②双向倾斜；③四向倾斜．记三种盖法屋顶面积分别为1P 、2P 、3P ．若屋顶斜面与水平面所成的角都是a ，则（ ）A ．321P P P =>B ．321P P P >=C ．321P P P >>D ．321P P P ==【例31】 右图是一个几何体的三视图，根据图中数据，可得该几何体的表面积是（ ）A ．9πB ．10πC ．11πD ．12π【例32】 已知正四面体ABCD 的表面积为S ，其四个面的中心分别为E 、F 、G 、H ，设四面体EFGH的表面积为T ，则TS 等于（ ）A ．19B ．49C ．14D ．13【例33】 已知球的表面积为20π，球面上有A 、B 、C三点．如果AB AC BC ===，则球心到平面ABC 的距离为（ ） A ．1BCD ．2【例34】 已知球的表面积为20π，球面上有A 、B 、C三点．如果AB AC BC ===，则球心到平面ABC 的距离为（ ）A ．1 BCD ．2【例35】 棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -被以A 为球心，AB 为半径的球相截，则被截形体的表面积为（ ）A ．5π4B ．7π8C ．πD ．7π4OD CB AP俯视图侧(左)视图正(主)视图【例36】 棱长为3的正方体的顶点都在同一球面上，则该球的表面积为______．【例37】 已知一个几何体的主视图及左视图均是边长为2的正三角形，俯视图是直径为2的圆，如图，则此几何体的外接球的表面积为 ．俯视图左视图主视图【例38】 右图是一个几何体的三视图，根据图中数据，可得该几何体的表面积是________．左视图主视图俯视图【例39】 若一个正三棱柱的三视图如图所示，则这个正三棱柱的表面积为（ ）A．B． C．24+D．24+【例40】 一个三棱锥的三视图是三个直角三角形，如图所示，则该三棱锥的外接球的表面积为 ．243【例41】 如图，在四面体ABCD 中，截面AEF 经过四面体的内切球（与四个面都相切的球）球心O ，且与BC ，DC 分别截于E 、F ，如果截面将四面体分成体积相等的两部分，设四棱锥A BEFD -与三棱锥A EFC -的表面积分别是1S ，2S ，则必有（ ）A ．12S S <B ．12S S >C ．12S S =D ．12S S ，的大小关系不能确定【例42】 如图，在四面体ABCD 中，截面AEF 经过四面体的内切球（与四个面都相切的球）球心O ，且与BC ，DC 分别截于E 、F ，如果截面将四面体分成体积相等的两部分，设四棱锥A BEFD -与三棱锥A EFC -的表面积分别是1S ，2S ，则必有（ ）A ．12S S <B ．12S S >C ．12S S =D ．1S ，2S 的大小关系不能确定左视图俯视图主视图232（一） 知识内容1．柱体（棱柱，圆柱）体积公式：V Sh =柱体，其中S 为底面积，h 为高；2．棱体（棱锥，圆锥）的体积公式：13V Sh =棱体，其中S 为底面积，h 为高；3．台体（棱台，圆台）的体积公式： 1('')3V h S SS S =台体，其中',S S 分别是台体上，下底面的面积，h 为台体的高；4．球的体积：34π3V R =球，R 为球的半径．对柱体与锥体体积公式的推导，课本上是以长方体的体积公式为基础的，根据祖暅原理得到的．祖暅原理：幂势相同，则积不容异．即夹在两个平行平面间的两个几何体，被平行于这两个平面的任意平面所截，如果截得的两个截面的面积总相等，那么这两个几何体体积相等．祖暅提出的“幂势既同，则积不容异”，及“体积之比等于对应截面积之比”，在这里是当作公理使用．提法“幂势既同，则积不容异”，在西方通常叫做“卡瓦列利原理”．卡瓦列利在他的名著《连续不可分几何》中提出这一原理，这本书出版于1635年． 课本对柱体和锥体体积公式的推导过程： ⑴长方体的体积V Sh =；⑵利用祖暅原理可以说明：等底面积等高的长方体与柱体的体积相等， 故柱体的体积为：V Sh =；⑶利用祖暅原理可以说明：等底面积等高的锥体的体积均相等；⑷三棱柱可以分割成三个体积相等的锥，故锥体的体积为13V Sh =；321C 1CB 1A 1A 1B 1CBA 1ABCA 1B 1C 1CBA⑸利用两个锥体做差可得台体的体积公式1('')3V S SS S h =．（二）典例分析：【例1】 侧棱长与底面边长相等的正三棱锥称为正四面体，则棱长为1的正四面体的体积是________； 【例2】 已知正六棱台的上，下底面边长分别为2和4，高为2，则其体积为_______．【例3】 6，则球的表面积和体积的比为______．板块二：空间几何体的体积【例4】 直三棱柱111ABC A B C -各侧棱和底面边长均为a ，点D 是1CC 上任意一点，连结1A B ，BD ，1A D ，AD ，则三棱锥1A A BD -的体积（ ）A ．316aB3 C3 D ．3112a【例5】，则该正四棱柱的体积等于 ．【例6】 已知三棱台111ABC A B C -中25ABC S ∆=，111A B C S ∆9=，高6h =．⑴求三棱锥1A ABC -的体积1A ABC V -⑵求三棱锥111B A B C -的体积111B A BC V -⑶求三棱锥11A BCC -的体积11A BCC V -【例7】 正三棱柱侧面的一条对角线长为2，且与底边的夹角为45︒角，则此三棱柱的体积为（ ）AB ．CD ．【例8】 在体积为15的斜三棱柱111ABC A B C -中，S 是1C C 上的一点，S ABC -的体积为3，则三棱锥111S A B C -的体积为（ ）A ．1B ．32C ．2D ．3 【例9】 直三棱柱111ABC A B C -各侧棱和底面边长均为a ，点D 是1CC 上任意一点，连结1A B ，BD ，1A D ，AD ，则三棱锥1A A BD -的体积（ ）A ．316aB3C3D ．3112a CAA 1B 1C 1DC 1B 1A 1CBA【例10】 正三棱柱111ABC A B C -内接于半径为2的球，若，A B 两点的球面距离为π，则正三棱柱的体积为 ．【例11】 在体积为的球的表面上有A B C ，，三点，1AB =，BC ，A ，C两点的球面距离为，则球心到平面ABC 的距离为 ．【例12】 若三棱柱的一个侧面是边长为2的正方形，另外两个侧面都是有一个内角为60︒的菱形，则该棱柱的体积等于（ ）AB． C． D．【例13】 平行六面体1111ABCD A B C D -中，在从B 点出发的三条棱上分别取其中点,,E F G ，则棱锥B EFG -的体积与平行六面体体积的比值为________．【例14】 一个正三棱锥的底面边长等于一个球的半径，该正三棱锥的高等于这个球的直径，则球的体积与正三棱锥体积的比值为（ ） ABCD．【例15】 如图，在三棱柱111ABC A B C -中，若E ，F 分别为AB ，AC 的中点，平面11EB C F 将三棱柱分成体积为1V ，2V 的两部分，那么12:V V = ．【例16】 求球与它的外切圆柱、外切等边圆锥的体积之比．（等边圆锥是指轴截面是等边三角形的圆锥）【例17】 如图，在四边形ABCD 中，90DAB ∠=︒，135ADC ∠=︒，5AB =，CD =，2AD =，求四边形ABCD 绕AD 旋转一周所成几何体的表面积及体积．V 2V 1A 1B 1C 1FEC BAABCD【例18】如图所示，已知等腰梯形ABCD的上底2cmAD=，下底10cmBC=，底角60ABC∠=︒，现绕腰AB旋转一周，求所得的旋转体的体积．lABC DEF60︒【例19】在ABC∆中，2AB=，32BC=，120ABC∠=︒（如图所示），若将ABC∆绕直线BC旋转一周，则所形成的旋转体的体积是（）A．9π2B．7π2C．5π2D．3π2【例20】在体积为的球的表面上有A，B，C三点，1AB=，BC=A，C两点的球面距离，则球心到平面ABC的距离为．【例21】图中所示的圆及其外切正方形绕图中由虚线表示的对称轴旋转一周生成的几何体称为圆柱容球，求证：在圆柱容球中，球的体积是圆柱体积的23，球的表面积也是圆柱全面积的23．【例22】正四棱锥S ABCD-S、A、B、C、D都在同一球面上，则该球的体积为_______．DCBAOHDCBAS【例23】 如图，圆锥形封闭容器，高为h ，圆锥内水面高为11,3hh h =，若将圆锥倒置后，圆锥内水面高为22.h h ，求C【例24】 一个倒圆锥形容器，它的轴截面是正三角形，在容器内注入水，并放入一个半径为r 的铁球，这时水面恰好和球面相切．问将球从圆锥内取出后，圆锥内水平面的高是多少？【例25】 如图，在四面体ABCD 中，截面AEF 经过四面体的内切球（与四个面都相切的球）球心O ，且与BC ，DC 分别截于E 、F ，如果截面将四面体分成体积相等的两部分，设四棱锥A BEFD -与三棱锥A EFC -的表面积分别是1S ，2S ，则必有（ ） A ．12S S < B ．12S S > C ．12S S =D ．12S S ，的大小关系不能确定【例26】 如图，在长方体1111ABCD A B C D -中，6AB =，4AD =，13AA =，分别过BC ，11A D 的两个平行截面将长方体分成三部分，其体积分别记为111AEA DFD V V -=，11112EBE A FCF D V V -=，11113B E B C F C V V -=，若123::V V V 1:4:1=，则截面11A EFD 的面积为 ．E 1F 1FEDC AA 1D 1B 1C 1【例27】已知某几何体的俯视图是如图所示的矩形，正视图（或称主视图）是一个底边长为8、高为4的等腰三角形，侧视图（或称左视图）是一个底边长为6、高为4的等腰三角形．⑴求该几何体的体积V；⑵求该几何体的侧面积S．【例28】一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直底面．已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98，底面周长为3，那么这个球的体积为______．【例29】如图，将边长为1的正六边形铁皮的六个角各切去一个全等的四边形，再沿虚线折起，做成一个无盖的正六棱柱容器（如图）．当这个正六棱柱容器的底面边长为时，其容积最大．【例30】设A、B、C、D是球面上的四个点，且在同一平面内，3AB BC CD DA====，球心到该平面的距离是球半径的一半，则球的体积是（）A．B．C．D．【例31】如图所示，正四面体ABCD的外接球的体积为，求四面体的体积．【例32】已知正三棱锥S ABC-，一个正三棱柱的上底面三顶点在棱锥的三条侧棱上，下底面在正三棱锥的底面上，若正三棱锥的高为15，底面边长为12，内接正三棱柱的侧面积为120．⑴求正三棱柱的高；⑵求正三棱柱的体积；⑶求棱柱上底面所截棱锥与原棱锥的侧面积之比．【例33】一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直底面．已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98，底面周长为3，那么这个球的体积为_________．【例34】将半径都为1的4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（）AB．2C．4D【例35】如图1，一个正四棱柱形的密闭容器底部镶嵌了同底的正四棱锥形实心装饰块，容器内盛有a升水时，水面恰好经过正四棱锥的顶点P．如果将容器倒置，水面也恰好过点P（图2）．有下列四个命题：A．正四棱锥的高等于正四棱柱高的一半B．将容器侧面水平放置时，水面也恰好过点PC．任意摆放该容器，当水面静止时，水面都恰好经过点PD．若往容器内再注入a升水，则容器恰好能装满其中真命题的代号是：（写出所有真命题的代号）．【例36】⑴给出两块相同的正三角形纸片（如图1，图2），要求用其中一块剪拼成一个三棱锥模型，另一块剪拼成一个正三棱柱模型，使它们的全面积都与原三角形的面积相等，请设计一种剪拼方法，分别用虚线标示在图1、图2中，并作简要说明；⑵试比较你剪拼的正三棱锥与正三棱柱的体积的大小；⑶如果给出的是一块任意三角形的纸片（如图3），要求剪拼成一个直三棱柱，使它的全面积与给出的三角形的面积相等．请设计一种剪拼方法，用虚线标示在图3中，并作简要说明．图3图2图1【例37】两相同的正四棱锥组成如图所示的几何体，可放棱长为1的正方体内，使正四棱锥的底面ABCD与正方体的某一个平面平行，且各顶点．．．均在正方体的面上，则这样的几何体体积的可能值有（）A．1个B．2个C．3个D．无穷多个【例38】已知一个全面积为24的正方体，有一个与每条棱都相切的球，此球的体积为．【例39】已知正方体外接球的体积是32π3，那么正方体的棱长等于（）A．BCD图12图【例40】 球的体积与其表面积的数值相等，则球的半径等于（ ）A ．12B ．1C ．2D ．3【例41】 将一个边长为a 的正方体，切成27个全等的小正方体，则表面积增加了 （ ）A ．26aB ．12a 2C ．18a 2D ．24a 2【例42】 直径为10cm 的一个大金属球，熔化后铸成若干个直径为2cm 的小球，如果不计损耗，可铸成这样的小球的个数为（ ） A ．5B ．15C ．25D ．125【例43】 一平面截一球得到直径是6的圆面，球心到这个平面的距离4，求该球的表面积与体积．【例44】 已知一个球的直径为d ，一个正方体的棱长为a ，如果它们的表面积相等，则（ ）A ． d a >且V >球V 正方体B ． d a >且V <球V 正方体C ． d a <且V >球V 正方体D ． d a <且V <球V 正方体【例45】 已知某个几何体的三视图如下，根据图中标出的尺寸，201010202020主视图左视图俯视图可得这个几何体的体积是_______．【例46】 一个长方体的各顶点均在同一球面上，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__________．【例47】 已知正三棱锥的侧面积为cm 2，高为3cm ． 求它的体积．【例48】如图，在等腰梯形ABCD中，22,60AB DC DAB︒==∠=，E为AB的中点，将ADE∆与BEC∆分别沿,ED EC向上折起，使,A B重合于点P，则三棱锥P DCE-的外接球的体积（）DE CBAA B C D【例49】已知正四棱锥底面正方形的边长为4，高与斜高的夹角为30︒，求正四棱锥的全面积与体积．【例50】将圆心角为120︒，面积为3π的扇形，作为圆锥的侧面，求圆锥的表面积和体积．【例51】正三棱柱侧面的一条对角线长为2，且与底面成45角，求此三棱柱的体积．【例52】一平面截一球得到直径是6的圆面，球心到这个平面的距离4，求该球的表面积与体积．【例53】如图，在等腰梯形ABCD中，22,60AB DC DAB︒==∠=，E为AB的中点，将ADE∆与BEC∆分别沿,ED EC向上折起，使,A B重合于点P，则三棱锥P DCE-的外接球的体积（）DECBAA B C D【例54】 正六棱锥-P ABCDEF 中，G 为PB 的中点，则三棱锥-D GAC 与三棱锥-P GAC 体积之比为（ ） A ．11∶B ．12∶C ．21∶D ．32∶【例55】 如图，体积为V 的大球内有4个小球，每个小球的球面过大球球心且与大球球面有且只有一个交点，4个小球的球心是以大球球心为中心的正方形的4个顶点．1V 为小球相交部分（图中阴影部分）的体积，2V 为大球内、小球外的图中黑色部分的体积，则下列关系中正确的是（ ）A ．12VV >B ．22VV <C ．12V V >D ．12V V <【例56】 一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直底面．已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98，底面周长为3，那么这个球的体积为_________．【例57】 若 ）A B C D ．23【例58】 养路处建造圆锥形仓库用于贮藏食盐（供融化高速公路上的积雪之用），已建的仓库的底面直径为12m ，高4m ．养路处拟建一个更大的圆锥形仓库，以存放更多食盐．现有两种方案：一是新建的仓库的底面直径比原来大4m （高不变）；二是高度增加4m （底面直径不变）．⑴分别计算按这两种方案所建的仓库的体积； ⑵分别计算按这两种方案所建的仓库的表面积； ⑶哪个方案更经济些？【例59】已知正四棱锥底面正方形的边长为4，高与斜高的夹角为30︒，求正四棱锥的全面积与体积．【例60】有一个轴截面是边长为4的正方形的圆柱，将它的内部挖去一个与它同底等高的圆锥，求余下来的几何体的表面积与体积．【例61】正三棱柱侧面的一条对角线长为2，且与底面成45角，求此三棱柱的体积．【例62】将半径都为1的4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（）AB．2C．4D【例63】如图，已知球O的球面上四点A、B、C、D，DA⊥平面ABC，AB BC⊥，DA AB BC===则球O点体积等于__________DC BA 【例64】用与球心距离为1的平面去截球，所得的截面面积为π，则球的体积为（）A．8π3BC．D．32π3【例65】一个正方体的各顶点均在同一球的球面上，若该球的体积为，则该正方体的表面积为．【例66】 一个底面半径为R 的圆柱形量杯中装有适量的水．若放入一个半径为r 的实心铁球，水面高度恰好升高r ，则Rr= ． 【例67】 如图，在等腰梯形ABCD 中，22,60AB DC DAB ︒==∠=，E 为AB 的中点，将ADE ∆ 与BEC∆分别沿,ED EC 向上折起，使,A B 重合于点P ，则三棱锥P DCE -的外接球的体积（ ） A ．43πB ．6π C ．6π D ．6πDECBA【例68】 正棱锥的高增为原来的n 倍，底面边长缩为原来的1n，那么体积（ ） A ．缩为原来的1nB ．增为原来的n 倍C ．没有变化D ．以上结论都不对【例69】 （08年重庆9）如图，体积为V 的大球内有4个小球，每个小球的球面过大球球心且与大球球面有且只有一个交点，4个小球的球心是以大球球心为中心的正方形的4个顶点．1V 为小球相交部分（图中阴影部分）的体积，2V 为大球内、小球外的图中黑色部分的体积，则下列关系中正确的是（ ）A ．12VV >B ． 22VV <C ．12V V >D ．12V V <【例70】 若一个正三棱柱的三视图如图所示，则这个正三棱柱的体积为_______．左视图俯视图主视图232。
超实用高考数学：空间几何体知识点解析(含历年真题专项练习)
空间几何体[考情分析] 几何体的结构特征是立体几何的基础，空间几何体的表面积与体积是高考题的重点与热点，多以小题的形式进行考查，属于中等难度． 考点一 表面积与体积 核心提炼1．旋转体的侧面积和表面积(1)S 圆柱侧＝2πrl ，S 圆柱表＝2πr (r ＋l )(r 为底面半径，l 为母线长)． (2)S 圆锥侧＝πrl ，S 圆锥表＝πr (r ＋l )(r 为底面半径，l 为母线长)． (3)S 球表＝4πR 2(R 为球的半径)． 2．空间几何体的体积公式 V 柱＝Sh (S 为底面面积，h 为高)； V 锥＝13Sh (S 为底面面积，h 为高)；V 球＝43πR 3(R 为球的半径)．例1 (1)已知圆锥的顶点为S ，母线SA ，SB 所成角的余弦值为78，SA 与圆锥底面所成角为45°.若△SAB 的面积为515，则该圆锥的侧面积为________． 答案 402π解析 因为母线SA 与圆锥底面所成的角为45°， 所以圆锥的轴截面为等腰直角三角形． 设底面圆的半径为r ，则母线长l ＝2r .在△SAB 中，cos ∠ASB ＝78，所以sin ∠ASB ＝158.因为△SAB 的面积为515，即12SA ·SB sin ∠ASB＝12×2r ×2r ×158＝515， 所以r 2＝40，故圆锥的侧面积为πrl ＝2πr 2＝402π.(2)如图，已知正三棱柱ABC －A 1B 1C 1的各棱长均为2，点D 在棱AA 1上，则三棱锥D －BB 1C 1的体积为________．答案 233解析 如图，取BC 的中点O ，连接AO .∵正三棱柱ABC －A 1B 1C 1的各棱长均为2， ∴AC ＝2，OC ＝1，则AO ＝ 3. ∵AA 1∥平面BCC 1B 1，∴点D 到平面BCC 1B 1的距离为 3. 又11BB C S＝12×2×2＝2， ∴11D BB C V ＝13×2×3＝233.易错提醒 (1)计算表面积时，有些面的面积没有计算到(或重复计算)． (2)一些不规则几何体的体积不会采用分割法或补形思想转化求解． (3)求几何体体积的最值时，不注意使用基本不等式或求导等确定最值．跟踪演练1 (1)已知圆柱的上、下底面的中心分别为O 1，O 2，过直线O 1O 2的平面截该圆柱所得的截面是面积为8的正方形，则该圆柱的表面积为( ) A ．122π B ．12π C ．82π D ．10π答案 B解析 设圆柱的底面半径为r ，高为h ，由题意可知2r ＝h ＝22，∴圆柱的表面积S ＝2πr 2＋2πr ·h ＝4π＋8π＝12π.故选B.(2)如图，在Rt △ABC 中，AB ＝BC ＝1，D 和E 分别是边BC 和AC 上异于端点的点，DE ⊥BC ，将△CDE 沿DE 折起，使点C 到点P 的位置，得到四棱锥P －ABDE ，则四棱锥P －ABDE 的体积的最大值为________．答案327解析 设CD ＝DE ＝x (0<x <1)，则四边形ABDE 的面积S ＝12(1＋x )(1－x )＝12(1－x 2)，当平面PDE ⊥平面ABDE 时，四棱锥P －ABDE 的体积最大，此时PD ⊥平面ABDE ，且PD ＝CD ＝x ，故四棱锥P －ABDE 的体积V ＝13S ·PD ＝16(x －x 3)，则V ′＝16(1－3x 2)．当x ∈⎝⎛⎭⎫0，33时，V ′>0；当x ∈⎝⎛⎭⎫33，1时，V ′<0.∴当x ＝33时，V max ＝327. 考点二 多面体与球 核心提炼解决多面体与球问题的两种思路(1)利用构造长方体、正四面体等确定直径．(2)利用球心O 与截面圆的圆心O 1的连线垂直于截面圆的性质确定球心．例2 (1)已知三棱锥P －ABC 满足平面P AB ⊥平面ABC ，AC ⊥BC ，AB ＝4，∠APB ＝30°，则该三棱锥的外接球的表面积为__________． 答案 64π解析 因为AC ⊥BC ，所以△ABC 的外心为斜边AB 的中点，因为平面P AB ⊥平面ABC ，所以三棱锥P －ABC 的外接球球心在平面P AB 上， 即球心就是△P AB 的外心，根据正弦定理ABsin ∠APB ＝2R ，解得R ＝4，所以外接球的表面积为4πR 2＝64π.(2)(2020·全国Ⅲ)已知圆锥的底面半径为1，母线长为3，则该圆锥内半径最大的球的体积为________． 答案23π 解析 圆锥内半径最大的球即为圆锥的内切球，设其半径为r .作出圆锥的轴截面P AB ，如图所示，则△P AB 的内切圆为圆锥的内切球的大圆．在△P AB 中，P A ＝PB ＝3，D 为AB 的中点，AB ＝2，E 为切点，则PD ＝22，△PEO ∽△PDB ， 故PO PB ＝OE DB ，即22－r 3＝r 1，解得r ＝22， 故内切球的体积为43π⎝⎛⎭⎫223＝23π.规律方法 (1)长方体的外接球直径等于长方体的体对角线长．(2)三棱锥S －ABC 的外接球球心O 的确定方法：先找到△ABC 的外心O 1，然后找到过O 1的平面ABC 的垂线l ，在l 上找点O ，使OS ＝OA ，点O 即为三棱锥S －ABC 的外接球的球心． (3)多面体的内切球可利用等积法求半径．跟踪演练2 (1)已知A ，B 是球O 的球面上两点，∠AOB ＝90°，C 为该球面上的动点．若三棱锥O －ABC 体积的最大值为36，则球O 的表面积为( ) A ．36π B ．64π C ．144π D ．256π 答案 C解析 如图所示，设球O 的半径为R ，因为∠AOB ＝90°， 所以S △AOB ＝12R 2，因为V O －ABC ＝V C －AOB ， 而△AOB 的面积为定值，当点C 位于垂直于平面AOB 的直径端点时，三棱锥O －ABC 的体积最大， 此时V O －ABC ＝V C －AOB ＝13×12R 2×R ＝16R 3＝36，故R ＝6，则球O 的表面积为S ＝4πR 2＝144π.(2)中国古代数学经典《九章算术》系统地总结了战国、秦、汉时期的数学成就，书中将底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称之为阳马，将四个面都为直角三角形的三棱锥称之为鳖臑，如图为一个阳马与一个鳖臑的组合体，已知P A ⊥平面ABCE ，四边形ABCD 为正方形，AD ＝5，ED ＝3，若鳖臑P －ADE 的外接球的体积为92π，则阳马P －ABCD 的外接球的表面积为________．答案 20π解析 ∵四边形ABCD 是正方形，∴AD ⊥CD ，即AD ⊥CE ，且AD ＝5，ED ＝3， ∴△ADE 的外接圆半径为r 1＝AE2＝AD 2＋ED 22＝2， 设鳖臑P －ADE 的外接球的半径为R 1， 则43πR 31＝92π，解得R 1＝322. ∵P A ⊥平面ADE ，∴R 1＝⎝⎛⎭⎫P A 22＋r 21， 可得P A 2＝R 21－r 21＝102，∴P A ＝10. 正方形ABCD 的外接圆直径为2r 2＝AC ＝2AD ＝10， ∴r 2＝102， ∵P A ⊥平面ABCD ，∴阳马P －ABCD 的外接球半径R 2＝⎝⎛⎭⎫P A 22＋r 22＝5， ∴阳马P －ABCD 的外接球的表面积为4πR 22＝20π. 专题强化练一、单项选择题1.水平放置的△ABC 的直观图如图，其中B ′O ′＝C ′O ′＝1，A ′O ′＝32，那么原△ABC 是一个( )A ．等边三角形B ．直角三角形C ．三边中只有两边相等的等腰三角形D ．三边互不相等的三角形 答案 A解析 AO ＝2A ′O ′＝2×32＝3，BC ＝B ′O ′＋C ′O ′＝1＋1＝2.在Rt △AOB 中，AB ＝12＋(3)2＝2，同理AC ＝2，所以原△ABC 是等边三角形．2．(2020·全国Ⅰ)埃及胡夫金字塔是古代世界建筑奇迹之一，它的形状可视为一个正四棱锥．以该四棱锥的高为边长的正方形面积等于该四棱锥一个侧面三角形的面积，则其侧面三角形底边上的高与底面正方形的边长的比值为( )A.5－14 B.5－12 C.5＋14 D.5＋12答案 C解析 设正四棱锥的底面正方形的边长为a ，高为h ， 侧面三角形底边上的高(斜高)为h ′， 则由已知得h 2＝12ah ′.如图，设O 为正四棱锥S －ABCD 底面的中心，E 为BC 的中点，则在Rt △SOE 中，h ′2＝h 2＋⎝⎛⎭⎫a 22， ∴h ′2＝12ah ′＋14a 2，∴⎝⎛⎭⎫h ′a 2－12·h ′a －14＝0，解得h ′a ＝5＋14(负值舍去)．3．已知一个圆锥的侧面积是底面积的2倍，记该圆锥的内切球的表面积为S 1，外接球的表面积为S 2，则S 1S 2等于( )A.12B.13C.14D.18 答案 C 解析 如图，由已知圆锥侧面积是底面积的2倍，不妨设底面圆半径为r ，l 为底面圆周长，R 为母线长， 则12lR ＝2πr 2， 即12·2π·r ·R ＝2πr 2， 解得R ＝2r ，故∠ADC ＝30°，则△DEF 为等边三角形， 设B 为△DEF 的重心，过B 作BC ⊥DF ，则DB 为圆锥的外接球半径，BC 为圆锥的内切球半径，则BC BD ＝12，∴r 内r 外＝12，故S 1S 2＝14. 4．(2020·大连模拟)一件刚出土的珍贵文物要在博物馆大厅中央展出，如图，需要设计各面是玻璃平面的无底正四棱柱将其罩住，罩内充满保护文物的无色气体．已知文物近似于塔形，高1.8米，体积0.5立方米，其底部是直径为0.9米的圆形，要求文物底部与玻璃罩底边至少间隔0.3米，文物顶部与玻璃罩上底面至少间隔0.2米，气体每立方米1 000元，则气体的费用最少为( )A ．4 500元B ．4 000元C ．2 880元D ．2 380元 答案 B解析 因为文物底部是直径为0.9米的圆形，文物底部与玻璃罩底边至少间隔0.3米，所以由正方形与圆的位置关系可知，底面正方形的边长为0.9＋2×0.3＝1.5米，又文物高1.8米，文物顶部与玻璃罩上底面至少间隔0.2(米)，所以正四棱柱的高为1.8＋0.2＝2(米)，则正四棱柱的体积V ＝1.52×2＝4.5(立方米)．因为文物的体积为0.5立方米，所以罩内空气的体积为4.5－0.5＝4(立方米)，因为气体每立方米1 000元，所以气体的费用最少为4×1 000＝4 000(元)，故选B.5.如图所示，在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，动点E 在BB 1上，动点F 在A 1C 1上，O 为底面ABCD 的中心，若BE ＝x ，A 1F ＝y ，则三棱锥O －AEF 的体积( )A ．与x ，y 都有关B ．与x ，y 都无关C ．与x 有关，与y 无关D ．与y 有关，与x 无关 答案 B解析 由已知得V 三棱锥O －AEF ＝V 三棱锥E －OAF ＝13S △AOF ·h (h 为点E 到平面AOF 的距离)．连接OC ，因为BB 1∥平面ACC 1A 1，所以点E 到平面AOF 的距离为定值．又AO ∥A 1C 1，OA 为定值，点F 到直线AO 的距离也为定值，所以△AOF 的面积是定值，所以三棱锥O －AEF 的体积与x ，y 都无关．6．在梯形ABCD 中，∠ABC ＝π2，AD ∥BC ，BC ＝2AD ＝2AB ＝2.将梯形ABCD 绕AD 所在的直线旋转一周而形成的曲面所围成的几何体的体积为( ) A.2π3 B.4π3 C.5π3 D ．2π 答案 C解析 如图，过点C 作CE 垂直AD 所在直线于点E ，梯形ABCD 绕AD 所在直线旋转一周而形成的旋转体是由以线段AB 的长为底面圆半径，线段BC 为母线的圆柱挖去以线段CE 的长为底面圆半径，ED 为高的圆锥，该几何体的体积为V ＝V 圆柱－V 圆锥＝π·AB2·BC －13·π·CE 2·DE ＝π×12×2－13π×12×1＝5π3.7．(2020·全国Ⅰ)已知A ，B ，C 为球O 的球面上的三个点，⊙O 1为△ABC 的外接圆．若⊙O 1的面积为4π，AB ＝BC ＝AC ＝OO 1，则球O 的表面积为( ) A ．64π B ．48π C ．36π D ．32π 答案 A解析 如图，设圆O 1的半径为r ，球的半径为R ，正三角形ABC 的边长为a .由πr 2＝4π，得r ＝2， 则33a ＝2，a ＝23， OO 1＝a ＝2 3.在Rt △OO 1A 中，由勾股定理得R 2＝r 2＋OO 21＝22＋(23)2＝16，所以S 球＝4πR 2＝4π×16＝64π.8．(2020·武汉调研)已知直三棱柱ABC －A 1B 1C 1的6个顶点都在球O 的表面上，若AB ＝AC ＝1，AA 1＝23，∠BAC ＝2π3，则球O 的体积为( )A.32π3 B ．3π C.4π3 D ．8π 答案 A解析 设△ABC 外接圆圆心为O 1，半径为r ，连接O 1O ，如图，易得O 1O ⊥平面ABC ，∵AB ＝AC ＝1，AA 1＝23，∠BAC ＝2π3，∴2r ＝AB sin ∠ACB ＝112＝2，即O 1A ＝1，O 1O ＝12AA 1＝3，∴OA ＝O 1O 2＋O 1A 2＝3＋1＝2，∴球O 的体积V ＝43π·OA 3＝32π3.故选A.9.如图所示，某几何体由底面半径和高均为5的圆柱与半径为5的半球对接而成，在该封闭的几何体内部放入一个小圆柱体，且小圆柱体的上、下底面均与外层圆柱的底面平行，则小圆柱体积的最大值为( )A.2 000π9B.4 000π27C ．81πD ．128π答案 B解析 小圆柱的高分为上、下两部分，上部分的高同大圆柱的高相等，为5，下部分深入底部半球内．设小圆柱下部分的高为h (0<h <5)，底面半径为r (0<r <5)．由于r ，h 和球的半径构成直角三角形，即r 2＋h 2＝52，所以小圆柱的体积V ＝πr 2(h ＋5)＝π(25－h 2)(h ＋5)(0<h <5)，把V 看成是关于h 的函数，求导得V ′＝－π(3h －5)(h ＋5)．当0<h <53时，V ′>0，V 单调递增；当53<h <5时，V ′<0，V 单调递减．所以当h ＝53时，小圆柱的体积取得最大值．即V max ＝π⎝⎛⎭⎫25－259×⎝⎛⎭⎫53＋5＝4 000π27，故选B. 10．已知在三棱锥P －ABC 中，P A ，PB ，PC 两两垂直，且长度相等．若点P ，A ，B ，C 都在半径为1的球面上，则球心到平面ABC 的距离为( ) A.36 B.12 C.13 D.32答案 C解析 ∵在三棱锥P －ABC 中，P A ，PB ，PC 两两垂直，且长度相等， ∴此三棱锥的外接球即以P A ，PB ，PC 为三边的正方体的外接球O ， ∵球O 的半径为1，∴正方体的边长为233，即P A ＝PB ＝PC ＝233，球心到截面ABC 的距离即正方体中心到截面ABC 的距离，设P 到截面ABC 的距离为h ，则正三棱锥P －ABC 的体积V ＝13S △ABC ×h ＝13 S △P AB ×PC ＝13×12×⎝⎛⎭⎫2333， ∵△ABC 为边长为263的正三角形，S △ABC ＝233，∴h ＝23， ∴球心(即正方体中心)O 到截面ABC 的距离为13.二、多项选择题11．(2020·枣庄模拟)如图，透明塑料制成的长方体容器ABCD －A 1B 1C 1D 1内灌进一些水，固定容器一边AB 于地面上，再将容器倾斜，随着倾斜度的不同，有下面几个结论，其中正确的是( )A ．没有水的部分始终呈棱柱形B ．水面EFGH 所在四边形的面积为定值C ．随着容器倾斜度的不同，A 1C 1始终与水面所在平面平行D ．当容器倾斜如图③所示时，AE ·AH 为定值 答案 AD解析 由于AB 固定，所以在倾斜的过程中，始终有CD ∥HG ∥EF ∥AB ，且平面AEHD ∥平面BFGC ，故水的部分始终呈棱柱形(三棱柱或四棱柱)，且AB 为棱柱的一条侧棱，没有水的部分也始终呈棱柱形，故A 正确；因为水面EFGH 所在四边形，从图②，图③可以看出，EF ，GH 长度不变，而EH ，FG 的长度随倾斜度变化而变化，所以水面EFGH 所在四边形的面积是变化的，故B 错；假设A 1C 1与水面所在的平面始终平行，又A 1B 1与水面所在的平面始终平行，则长方体上底面A 1B 1C 1D 1与水面所在的平面始终平行，这就与倾斜时两个平面不平行矛盾，故C 错；水量不变时，棱柱AEH －BFG 的体积是定值，又该棱柱的高AB 不变，且V AEH －BFG ＝12·AE ·AH ·AB ，所以AE ·AH ＝2V AEH －BFG AB ，即AE ·AH 是定值，故D 正确．12. (2020·青岛检测)已知四棱台ABCD －A 1B 1C 1D 1的上、下底面均为正方形，其中AB ＝22，A 1B 1＝2，AA 1＝BB 1＝CC 1＝DD 1＝2，则下列叙述正确的是( )A ．该四棱台的高为 3B ．AA 1⊥CC 1C ．该四棱台的表面积为26D ．该四棱台外接球的表面积为16π 答案 AD解析 将四棱台补为如图所示的四棱锥P －ABCD ，并取E ，E 1分别为BC ，B 1C 1的中点，记四棱台上、下底面中心分别为O 1，O ，连接AC ，BD ，A 1C 1，B 1D 1，A 1O ，OE ，OP ，PE .由条件知A 1，B 1，C 1，D 1分别为四棱锥的侧棱P A ，PB ，PC ，PD 的中点，则P A ＝2AA 1＝4，OA ＝2，所以OO 1＝12PO ＝12P A 2－OA 2＝3，故该四棱台的高为3，故A 正确；由P A ＝PC＝4，AC ＝4，得△P AC 为正三角形，则AA 1与CC 1所成角为60°，故B 不正确；四棱台的斜高h ′＝12PE ＝12PO 2＋OE 2＝12×(23)2＋(2)2＝142，所以该四棱台的表面积为(22)2＋(2)2＋4×2＋222×142＝10＋67，故C 不正确；易知OA 1＝OB 1＝OC 1＝OD 1＝O 1A 21＋O 1O 2＝2＝OA ＝OB ＝OC ＝OD ，所以O 为四棱台外接球的球心，所以外接球的半径为2，外接球表面积为4π×22＝16π，故D 正确．三、填空题13．(2020·浙江)已知圆锥的侧面积(单位：cm 2)为2π，且它的侧面展开图是一个半圆，则这个圆锥的底面半径(单位：cm)是________． 答案 1解析 如图，设圆锥的母线长为l ，底面半径为r ，则圆锥的侧面积S 侧＝πrl ＝2π，即r·l＝2.由于侧面展开图为半圆，可知12πl2＝2π，可得l＝2，因此r＝1.14.在如图所示的斜截圆柱中，已知圆柱的底面直径为40 cm，母线长最短50 cm，最长80 cm，则斜截圆柱的侧面面积S＝________cm2.答案 2 600π解析将题图所示的相同的两个几何体对接为圆柱，则圆柱的侧面展开图为矩形．由题意得所求侧面展开图的面积S＝12×(π×40)×(50＋80)＝2 600π(cm2)．15．已知球O与棱长为4的正四面体的各棱相切，则球O的体积为________．答案82 3π解析将正四面体补成正方体，则正四面体的棱为正方体面上的对角线，因为正四面体的棱长为4，所以正方体的棱长为2 2.因为球O与正四面体的各棱都相切，所以球O为正方体的内切球，即球O的直径2R＝22，则球O的体积V＝43πR3＝823π.16．(2020·新高考全国Ⅰ)已知直四棱柱ABCD－A1B1C1D1的棱长均为2，∠BAD＝60°.以D1为球心，5为半径的球面与侧面BCC1B1的交线长为________．答案2π2解析如图，设B1C1的中点为E，球面与棱BB1，CC1的交点分别为P，Q，连接DB，D1B1，D1P，D1E，EP，EQ，由∠BAD ＝60°，AB ＝AD ，知△ABD 为等边三角形， ∴D 1B 1＝DB ＝2，∴△D 1B 1C 1为等边三角形， 则D 1E ＝3且D 1E ⊥平面BCC 1B 1，∴E 为球面截侧面BCC 1B 1所得截面圆的圆心， 设截面圆的半径为r ， 则r ＝R 2球－D 1E 2＝5－3＝ 2.又由题意可得EP ＝EQ ＝2，∴球面与侧面BCC 1B 1的交线为以E 为圆心的圆弧PQ . 又D 1P ＝5， ∴B 1P ＝D 1P 2－D 1B 21＝1， 同理C 1Q ＝1，∴P ，Q 分别为BB 1，CC 1的中点， ∴∠PEQ ＝π2，知PQ 的长为π2×2＝2π2，即交线长为2π2.。
考点24 空间几何体体积及表面积(讲解)(解析版)
考点24:空间几何体的表面积和体积【思维导图】【常见考法】考法一：体积1．（等体积法之换顶点）如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 是平行四边形，22AD BD AB ===，平面PAD ⊥底面ABCD ，且PA PD ==E ，F 分别为PC ，BD 的中点.（1）求证：//EF 平面PAD ；（2）求证：平面PAD ⊥平面PBD ；（3）求三棱锥B PCD -的体积.【答案】（1）证明见解析（2）证明见解析（3）23【解析】（1）如图，连接AC .因为底面ABCD 是平行四边形，且F 是BD 的中点，所以F 也是AC 的中点.又因E 是PC 的中点，所以//EF PA .因为PA ⊂平面PAD ，EF ⊄平面PAD ，所以//EF 平面PAD .（2）在ABD △中，因为22AD BD AB ===， 所以2228AD BD AB +==，则BD AD ⊥.又因为侧面PAD ⊥底面ABCD ，交线为AD ，而BD ⊂平面ABCD ，所以BD ⊥平面PAD .因为BD ⊂平面PBD ，所以平面PAD ⊥平面PBD .（3）取AD 中点为O ，连接PO .因为PA PD =，O 为AD 的中点，所以PO AD ⊥，又因为侧面PAD ⊥底面ABCD ，交线为AD ，所以PO ⊥平面ABCD .因为PA PD ==2AD =，所以2224PA PD AD +==，所以PA PD ⊥.所以1PO =，所以三棱锥B PCD -的体积11122213323B PCD P BCD BCD V V S PO --==⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=△. 2.（等体积法之点面距）已知三棱锥A BPC -中，,AP PC AC BC ⊥⊥，M 为AB 的中点，D 为PB 的中点，且PMB ∆为正三角形.（1）求证：BC ⊥平面APC ；（2）若310BC AB ==，，求点B 到平面DCM 的距离.【答案】（1）证明见解析；（2）125. 【解析】（1）证明：如图，∵PMB ∆为正三角形，且D 为PB 的中点，∴MD PB ⊥.又∵M 为AB 的中点，D 为PB 的中点，∴//MD AP ,∴AP PB ⊥.又已知AP PC ⊥,∴AP ⊥平面PBC ,∴⊥AP BC .又∵,AC BC AC AP A ⊥⋂=,∴BC ⊥平面APC .（2）解：法一：记点B 到平面MDC 的距离为h ，则有M BCD B MDC V V --=∵10AB = ∴5MB PB ==，又3BC BC PC =⊥，,∴4PC =，∴11324BDC PBC S S PC BC ∆∆==⋅=，又=MD ，∴13M BCD BDC V MD S -∆=⋅=， 在PBC ∆中，1522CD PB ==，又∵MD DC ⊥，∴12MDC S MD DC ∆=⋅=∴1133B MDC MDC V h S h -∆=⋅==，∴125h = 即点B 到平面MDC 的距离为125. 法二：∵平面DCM ⊥平面PBC 且交线为DC ，过B 作BH DC ⊥，则BH ⊥平面DCM ，BH 的长为点B 到平面DCM 的距离；∵10AB =，∴5MB PB ==，又3,BC BC PC =⊥，∴4PC =，∴11324BDC PBC S S PC BC ∆∆==⋅=. 又1522CD PB ==， ∴15324BCD S CD BH BH ∆=⋅==， ∴125BH =，即点B 到平面MDC 的距离为125. 3．（补形法）将棱长为2的正方体1111ABCD A B C D -截去三棱锥1D ACD -后得到如图所示几何体，O 为11A C 的中点．（1）求证：//OB 平面1ACD ；（2）求几何体111ACB A D 的体积．【答案】（1）见解析；（2）4.【解析】（1）取AC 中点为1O ，连接1OO 、11B D 、11O D ．在正方形1111D C B A 中，O 为11A C 的中点，O ∴为11B D 的中点．在正方体1111ABCD A B C D -中，11//AA CC 且11AA CC =，∴四边形11AAC C 为平行四边形，11//AC AC ∴且11AC A C =， O 、1O 分别为11A C 、AC 的中点，11//AO AO ∴且11AO A O =， 所以，四边形11AAOO 为平行四边形，11//OO AA ∴且11OO AA =，11//AA BB 且11AA BB =，11//OO BB ∴且11OO BB =，所以，四边形11OO BB 为平行四边形，11//O B OB ∴且11O B OB =， O 为11B D 的中点，11//OD O B ∴且11OD O B =，则四边形11O BOD 为平行四边形，11//OB O D ∴，又BO ⊄平面1ACD ，11O D ⊂平面1ACD ，因此，//OB 平面1ACD ；（2）∵正方体1111ABCD A B C D -的棱长为2，1111328ABCD A B C D V -∴==，1112223243D ACD V -=⨯⨯⨯⨯=． 又11111111111ACB A D ABC C D A B A BCB C B C D V V V V ---=--，且111111111420833ABC C D A B ABCD A B C D D ACD V V V ---=-=-=，而111143A BCB C B C D V V --==， 1112042433ACB A D V ∴=-⨯=． 4．（分割法）如图，矩形ABCD 中，3AB =，1BC =，E 、F 是边DC 的三等分点.现将DAE ∆、CBF ∆分别沿AE 、BF 折起，使得平面DAE 、平面CBF 均与平面ABFE 垂直.（1）若G 为线段AB 上一点，且1AG =，求证：DG 平面CBF ；（2）求多面体CDABFE 的体积.【答案】(1)见证明(2) 【解析】（1）分别取AE ，BF 的中点M ，N ，连接DM ，CN ，MG ，MN ，因为1AD DE ==，90ADE ︒∠=，所以DM AE ⊥，且2DM =.因为1BC CF ==，90BCF ∠=，所以CN BF ⊥，且CN =. 因为面DAE 、面CBF 均与面ABFE 垂直，所以DM ⊥面ABFE ，CN ⊥面ABFE ，所以DM CN ，且DM CN =.因为cos45AM AG ︒=，所以90AMG ︒∠=，所以AMG ∆是以AG 为斜边的等腰直角三角形，故45MGA ︒∠=，而45FBA ︒∠=，则MG FB ，故面DMG 面CBF ，则DG 面CBF .（2）如图，连接BE ，DF ，由（1）可知，DM CN ，且DM CN =， 则四边形DMNC 为平行四边形，故22EF AB DC MN +===. 因为D ABE B EFCD V V V --=+ 33D ABE B DEF D ABE D BEF V V V V ----=+=+，所以113132V ⎛⎫=⨯⨯⨯+ ⎪⎝⎭ 1131132⎛⎫⨯⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭.考法二：表面积1．如图，在四棱锥P ABCD -中，2AD =，1AB BC CD ===，//BC AD ，90PAD ∠=︒.PBA ∠为锐角，平面PAB ⊥平面PBD .（Ⅰ）证明：PA ⊥平面ABCD ；（Ⅰ）AD 与平面PBD 所成角的正弦值为4，求三棱锥P ABD -的表面积.【答案】（Ⅰ）证明见解析；（Ⅰ 【解析】（Ⅰ）如图所示：作AM PB ⊥于M ，因为平面PAB ⊥平面PBD所以AM ⊥平面PBD .所以AM BD ⊥取AD 中点为Q ，则=BC QD ，且//BC QD所以1====BQ CD QD QA所以90ABD ∠=︒，BD AB ⊥又PBA ∠为锐角，∴点M 与点B 不重合.所以DB ⊥平面PAB DB PA ⇒⊥.又PA AD ⊥，DB 与AD 为平面ABCD 内两条相交直线， 故PA ⊥平面ABCD .（Ⅰ）由（Ⅰ）知：AM ⊥平面PBD ，故ADM ∠即为AD 与平面PBD 所成角，42AM AM AD =⇒=.在Rt PAB 中，452AM PBA =⇒∠=︒， 故1PA =，12PAB S =△，1PAD S =△，22ABD AB BD S ⋅==△. 而90PBD ∠=︒，所以2△⋅===PBD PB BD S故所求表面积为：112++=. 2．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB BC ⊥，1222AA AB BC ===，M ，N ，D 分别为AB ，1BB ，1CC 的中点，E 为线段MN 上的动点.（1）证明：//CE 平面1ADB ；（2）若将直三棱柱111ABC A B C -沿平面1ADB 截开，求四棱锥1A BCDB -的表面积.【答案】（1）证明见解析；（2）32+. 【解析】（1）证明：连接CM ，CN ，因为N ，D 分别为1BB ，1CC 中点， 所以1112NB BB =，1112C D CC =， 又因为11//BB CC ，11BB CC =，所以1//NB CD ，1NB CD =，所以四边形1NCDB 为平行四边形，所以1//NC DB ，又M 为AB 中点，所以1//MN AB ，又CM CN C ⋂=，111AB DB B ⋂=，所以平面//MCN 平面1ADB ，又CE ⊂平面MCN ，所以//CE 平面1ADB .（2）连接BD ，因为AB BC ⊥，1B B AB ⊥，1BC BB B =，BC ⊂平面11BCC B ，1BB ⊂平面11BCC B ，所以AB ⊥平面11BCC B ，所以AB BD ⊥，11122ABC S ⨯==△，12112ABB S ⨯==△，122ACD S ==△，1(12)1322BCDB S +⨯==梯形，在1ADB ∆中，AD =1AB =，1DB = 所以22211AD DB AB +=，所以1AD DB ⊥，1ADB S ==△，所以四棱锥1A BCDB -的表面积1313222S =++++=+.3．如图,四棱锥P ABCD -中,底面ABCD 是菱形,PA ⊥平面ABCD ,3ABC π∠=,M 是PC 上一动点.（1）求证:平面PAC ⊥平面MBD ;（2）若PB PD ⊥,三棱锥P ABD -求四棱锥P ABCD -的侧面积.【答案】（1）证明见解析 （2 【解析】(1)PA ⊥平面ABCD ,BD ⊂平面ABCD ,PA BD ∴⊥.底面ABCD 是菱形BD AC ∴⊥.又PA AC A =,PA ⊂平面PAC ,AC ⊂平面PAC ,BD ∴⊥平面PAC . 又BD ⊂平面MBD ,∴平面PAC ⊥平面MBD .(2)设菱形ABCD 的边长为x ,3ABC π∠=, 23BAD π∴∠=. 在ABD ∆中, 22222212cos 22()32BD AD AB AD AB BAD x x x =+-⋅∠=-⋅-=BD ∴=.又 PA ⊥平面ABCD ,AB AD =,PB PD ⊥,PB PD ∴==,故2PA x =.又22112sin sin 223ABD S AB AD BAD x x π∆=⋅⋅∠=⋅⋅=,2-1133ABD P ABD V S PA ∆∴=⋅⋅=三棱锥 解得:1x =,PA PB PD ∴=== ,3ABC π∠=1AC AB ∴==又PA ⊥平面ABCD ,PC PB ∴==, ∴四棱锥P ABCD -的侧面积为:11222(11)22PAB PBC S S ∆∆+=+=考法三：求参数1．如图，在以A 、B 、C 、D 、E 、F 为顶点的五面体中，面ABCD 是等腰梯形，//AB CD ，面ABFE 是矩形，平面ABFE ⊥平面ABCD ，BC CD AE a ===，60DAB ∠=.（1）求证：平面⊥BDF 平面ADE ；（2）若三棱锥B DCF -，求a 的值. 【答案】（1）证明见解析；（2）1.【解析】（1）因为四边形ABFE 是矩形，故EA AB ⊥，又平面ABFE ⊥平面ABCD ，平面ABFE 平面ABCD AB =，AE ⊂平面ABFE ，所以AE ⊥平面ABCD ，又BD ⊂面ABCD ，所以AE BD ⊥，在等腰梯形ABCD 中，60DAB ∠=，120ADC BCD ︒∴∠=∠=，因BC CD =，故30BDC ∠=，1203090ADB ∠=-=，即AD BD ⊥，又AE AD A =，故BD ⊥平面ADE ，BD ⊂平面BDF ，所以平面⊥BDF 平面ADE ；（2）BCD 的面积为2213sin1202BCD S a ==， //AE FB ，AE ⊥平面ABCD ，所以，BF ⊥平面ABCD ，231341212D BCF F BCD V V a a a --∴==⋅⋅==，故1a =. 2．如图，在四棱锥P ABCD -中，PAD ∆是等边三角形，O 是AD 上一点，平面PAD ⊥平面,ABCD //,,1,2,3AB CD AB AD AB CD BC ⊥===.（1）若O 是AD 的中点，求证：OB ⊥平面POC ；（2）设=ODOA λ=，当λ取何值时，三棱锥B POC -？【答案】（1）证明见解析；（2）1λ=.【解析】（1）因为//,,1,2,3AB CD AB AD AB CD BC ⊥===，所以AD ==因为O 是AD 的中点，所以OA OD ==223,6OB OC ==，所以222OB OC BC +=，所以OB OC ⊥.又因为平面PAD ⊥平面,ABCD所以PO ⊥平面,ABCD所以PO ⊥,0OB PO OC ⋂=，所以OB ⊥平面POC .（2）设OD OAλ=， 所以0OD A λ=，因为PAD ∆是等边三角形，平面PAD ⊥平面,ABCD点P 到平面ABCD 的距离，即为四棱锥P ABCD -的高，且h =因为13B POC P BOC POC V V S h --∆===所以()1112222BOC S AB CD AD AB OA AD OD ∆=+⨯-⨯-⨯=整理得：()12OA λ+=又因为OD OA OA OA λ+=+=解得1λ=考法四：求最值1．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，1AB =，2BC =，13,90,BB ABC =∠=点D 为侧棱1BB 上一个动点（1）求此直三棱柱111ABC A B C -的表面积；（2）当1AD DC +最小时，求三棱锥1D ABC -的体积.【答案】（1）11+2）13【解析】（1）1111112ABB A ACC A BCC B ABC S S S S S ∆=+++表113233212112=⨯+⨯+⨯⨯⨯=+ （2）将三棱柱展开成矩形11ACC A ，连接1AC ，交1BB 于点D ，则此时1AD DC +最小.1BD AB CC AC =， 1313BD ∴=⨯=.11111222ABD S AB BD ∆∴=⨯=⨯⨯=. 1BB ⊥平面111A B C ，且11B C ⊂平面111A B C ，1BB ∴⊥11B C ，又11B C ⊥11A B 且11A B 11BB B ⋂=，11A B ，1BB ⊂平面11ABB A ，11B C ∴⊥平面11ABB A11B C ∴为1C 到平面11ABB A 的距离，1111111123323D ABC C ABD ABD V V S B C --∴==⋅=⨯⨯=. 2．如图1，在矩形ABCD 中，2AB =，3BC =，点E 在线段BC 上，2BE EC =.把BAE ∆沿AE 翻折至1B AE ∆的位置，1B ∉平面AECD ，连结1B D ，点F 在线段1DB 上，12DF FB =，如图2.（1）证明：//CF 平面1B AE ；（2）当三棱锥1B ADE -的体积最大时，求二面角1B DE C --的余弦值.【答案】（1）证明见解析；（2）19-. 【解析】（1）依题意得，在矩形ABCD 中，2AB =，3BC =，2BE EC =，所以3AD =，1EC =.在线段1B A 上取一点M ，满足12AM MB =，又因为12DF FB =，所以11B M B F MA FD =， 故//FM AD ，又因为//EC AD ，所以//EC FM ， 因为113FM AD ==，所以EC FM =， 所以四边形FMEC 为平行四边形，所以//CF EM ，又因为CF ⊄平面1B AE ，EM ⊂平面1B AE ，所以//CF 平面1B AE .（2）设1B 到平面AECD 的距离为h ，113B AED AED V S h -∆=⋅⋅，又3AED S ∆=， 所以1B AED V h -=，故要使三棱锥1B AED -的体积取到最大值，仅需h 取到最大值.取AE 的中点O ，连结1B O ，依题意得1B O AE ⊥，则1h B O ≤=因为平面1B AE 平面AECD AE =，1B O AE ⊥，1B O ⊂平面1B AE ，故当平面1B AE ⊥平面AECD 时，1B O ⊥平面AECD ，1h B O =.即当且仅当平面1B AE ⊥平面AECD 时，1B AED V -取得最大值，此时h =如图，以D 为坐标原点，DA ，DC 的方向分别为x 轴，y 轴的正方向建立空间直角坐标系D xyz -，得(0,0,0)D ，(1,2,0)E ，1(2,1B ，1(2,1DB =，(1,2,0)DE =，设(,,)n x y z =是平面1B ED 的一个法向量，则10,0,n DB n DE ⎧⋅=⎨⋅=⎩ 得220,20,x y z x y ⎧++=⎪⎨+=⎪⎩令1y =，解得n ⎛=- ⎝， 又因为平面CDE 的一个法向量为(0,0,1)m =，所以cos 19||||4m n m n m n ⋅⋅===⋅+， 因为1B DE C --为钝角，所以其余弦值等于19- 3．如图1，在边长为4的正方形ABCD 中，E 是AD 的中点，F 是CD 的中点，现将三角形DEF 沿EF 翻折成如图2所示的五棱锥P ABCFE -.（1）求证：AC 平面PEF ；（2）求五棱锥P ABCFE -的体积最大时PAC ∆的面积.【答案】（1）见证明；（2）【解析】证明：（1）在图1中，连接AC .又E ，F 分别为AD ，CD 中点，所以//EF AC .即图2中有//EF AC .又EF ⊂平面PEF ，AC ⊄平面PEF ，所以//AC 平面PEF .解：（2）在翻折的过程中，当平面PEF ⊥平面ABCFE 时，五棱锥P ABCFE -的体积最大.在图1中，取EF 的中点M ，DE 的中点N .由正方形ABCD 的性质知，//MN DF ，MN AD ⊥，1MN NE ==，2AE DF ==，AM ===在图2中，取EF 的中点H ，分别连接PH ，AH ，取AC 中点O ，连接PO .由正方形ABCD 的性质知，PH EF ⊥.又平面PEF ⊥平面ABCFE ，所以PH ⊥平面ABCFE ，则PH AH ⊥.由4AB =，有2PF AE PE ===，EH PH HF ===AC =PA ===.同理可知PC =又O 为AC 中点，所以OP AC ⊥，所以2OP ===，所以11222PAC S OP AC ∆=⨯⨯=⨯⨯= 4．如图，AB 是圆O 的直径，点C 是圆O 上异于,A B 的点，PO 垂直于圆O 所在的平面，且1PO =OB =．（Ⅰ）若D 为线段AC 的中点，求证C A ⊥平面D P O ；（Ⅰ）求三棱锥P ABC -体积的最大值；（Ⅰ）若BC =E 在线段PB 上，求CE OE +的最小值．【答案】（Ⅰ）详见解析；（Ⅰ）13；（Ⅰ 【解析】（Ⅰ）在C ∆AO 中，因为C OA =O ，D 为C A 的中点，所以C D A ⊥O ．又PO 垂直于圆O 所在的平面，所以C PO ⊥A ．因为D O PO =O ，所以C A ⊥平面D P O ．（Ⅰ）因为点C 在圆O 上，所以当C O ⊥AB 时，C 到AB 的距离最大，且最大值为1．又2AB =，所以C ∆AB 面积的最大值为12112⨯⨯=． 又因为三棱锥C P -AB 的高1PO =，故三棱锥C P -AB 体积的最大值为111133⨯⨯=．（Ⅰ）在∆POB 中，1PO =OB =，90∠POB =，所以PB ==．同理C P =C C PB =P =B ．在三棱锥C P -AB 中，将侧面C B P 绕PB 旋转至平面C B 'P ，使之与平面ABP 共面，如图所示． 当O ，E ，C '共线时，C E +OE 取得最小值．又因为OP =OB ，C C 'P ='B ，所以C O '垂直平分PB ，即E 为PB 中点．从而222C C O '=OE +E '=+=，亦即C E +OE。
高考数学一轮复习考点知识与题型讲解25 空间几何体的体积及表面积(含解析)
高考数学一轮复习考点知识与题型讲解考点25 空间几何体的体积及表面积一．圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式S＝2πrl S＝πrl S＝π(r＋r′)l 二．空间几何体的表面积与体积公式考点题型分析考点题型一 空间几何的体积【例1】(2022·陕西咸阳市·高三一模)如图，在三棱锥P ABC -中，平面PAC ⊥平面,,,2,4,ABC PC AC BC AC AC PC CB M ⊥⊥===是PA 的中点．(1)求证：PA ⊥平面MBC ；(2)设点N 是PB 的中点，求三棱锥N MBC -的体积． 【答案】(1)证明见解析；(2)23. 【解析】(1)∵平面PAC ⊥平面,ABC BC AC ⊥，BC ∴⊥平面PAC ，PA 平面PAC ，,BC PA AC PC M ∴⊥=，是PA 的中点，CM PA CM BC C ∴⊥⋂=，，PA ∴⊥平面MBC(2)由(1)知PA ⊥平面MBC ，N 是PB 的中点，N ∴到平面MBC 的距离是14PA ==,,BC AC BC PC BC ⊥⊥∴⊥平面,PAC BC MC ∴⊥，12MC PA ==111124343223N MBC MBCV SPA -∴=⨯⨯=⨯⨯=．【举一反三】1．(2022·江西吉安市·高三其他模拟)在四棱锥P ABCD-中，PD⊥平面ABCD，底面四边形ABCD是边长为1的正方形，侧棱PA与底面成的角是45︒，M，N分别是AB，PC的中点.(1)求证：//MN平面PAD；(2)求三棱锥M PBC-的体积.【答案】(1)证明见解析；(2)112.【解析】证明：(1)取PD的中点Q，连结QN、AQ，∵N 是PC 的中点，∴//QN CD ，且12QN CD =， ∵底面四边形ABCD 是边长是１的正方形，又M 是AB 的中点， ∴//AM CD ，且∴12AM CD =， ∴//QN AM ，且QN AM =，∴四边形AMNQ 是平行四边形，∴//MN AQ ，又AQ ⊂磁面PAD ，MN ⊄平面PAD ，∴//MN 平面PAD . (2)∵PD ⊥平面ABCD ，∴PAD ∠是侧棱PA 与底面成的角， ∴45PAD ∠=︒，∴PAD △是等腰直角三角形，则1PD AD ==， ∴111133412M PBC P MBC MBC V V S PD AB BC --==⋅=⋅⋅⋅=△. 2．(2022·内蒙古赤峰市·高三月考)如图，四棱锥E ABCD -中，底面ABCD 为直角梯形，其中AB BC ⊥，//CD AB ，面ABE ⊥面ABCD ，且224AB AE BE BC CD =====，点M 在棱AE上.(1)证明：当2MA EM =时，直线//CE 平面BDM ； (2)当AE ⊥平面MBC 时，求C BDM -的体积.【答案】(1)证明见解析；. 【解析】(1)证明：连结AC 与BD 交于点N ，连结MN//AB CD ，24AB CD ==，CND ANB ∴△∽△，12CD CN AB AN ∴==12EM MA =，EM CNMA AN∴=，MN //EC ∴ 又MN ⊂面BDM ，CE ⊄面BDM ，//CE ∴平面BDM .(2)解：AE 平面MBC ，BM ⊂平面MBC ，AE BM ∴⊥，AB AE BE ==M ∴是AE 的中点，面ABE ⊥面ABCD ，∴点E 到面ABCD 的距离为42d =⨯=∴M 到面ABCD 的距离为2dh ==111223323C BDM M BCD BCD V V S h --∴==⋅=⋅⋅⋅=△． 3．(2022·安徽芜湖市·高三期末)如图，三棱柱111ABC A B C -的各棱的长均为2，1A 在底面上的射影为ABC 的重心O ．(1)若D 为BC 的中点，求证：1//A C 平面1ADB ； (2)求四棱锥11C ABB A -的体积．【答案】(1)证明见解析；(2)3. 【解析】(1)连接1A B 交1AB 于点E ，连接DE ，则E 为1A B 的中点， 又∵D 为BC 的中点，∴DE 为1A BC 的中位线， ∴1//DE A C ，又1AC ⊄平面1ADB ，DE ⊂平面1ADB ， ∴1//A C 平面1ADB ；(2)在ABC 中，O 为重心，则233AO AD ==，在1Rt AOA 中，13AO ==，则11111222233433C ABB A ABC A B C V V --==⨯⨯=．考点题型二 空间几何的表面积【例2-1】(2022·全国高三专题练习)一个六棱锥的体积为，其底面是边长为2的正六边形，侧棱长都相等，则该六棱锥的侧面积为. 【答案】12【解析】判断棱锥是正六棱锥，利用体积求出棱锥的高，然后求出斜高，即可求解侧面积．∵一个六棱锥的体积为2的正六边形，侧棱长都相等， ∴棱锥是正六棱锥，设棱锥的高为h，则216213h h ⨯⨯∴=＝，2==，该六棱锥的侧面积为1622122⨯⨯⨯=． 【例2-2】(2022·全国高三专题练习)某组合体如图所示，上半部分是正四棱锥P EFGH -，下半部分是长方体ABCD EFGH -.正四棱锥P EFGH -，2EF =，1AE =，则该组合体的表面积为( )A ．20 B．12C ．16D．8【答案】A【解析】由题意，正四棱锥P EFGH -2=，该组合体的表面积为122421422202⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯=.故选：A【举一反三】1．(2022·湖南高三月考)如图，四棱锥P ABCD -中，侧面PAD 为等边三角形且垂直于底面ABCD ，12AB BC AD ==，90BAD ABC ∠=∠=︒.(1)证明：直线//BC 平面PAD ；(2)若四棱锥P ABCD -的体积为.【答案】(1)证明见解析；(2)8+【解析】(1)在平面ABCD 内，因为90BAD ABC ∠=∠=︒，所以//BC AD ， 又BC ⊄平面PAD ，AD ⊂平面PAD ，故//BC 平面PAD .(2)取AD 的中点M ，连结PM ，CM .依题四边形ABCM 为正方形， 因为PAD 为等边三角形，所以PM AD ⊥. 又侧面PAD ⊥底面ABCD ，平面PAD 平面ABCD AD =，所以PM ⊥底面ABCD .因为CM ⊂底面ABCD . 所以PM CM ⊥，同理BA ⊥侧面PAD ，所以BA AP ⊥.设BC x =，则CM x =，CD =，PM =，2PC PD x ==.四棱锥P ABCD -的体积1(2)32x x x V +=⨯=2x =.取CD 的中点N ，连结PN ，则PN CD ⊥，所以2PN x =.所以12PCD S x ==△1242PAB PBC S S x x ==⋅=△△，2)PAD S x ==△.所以四棱锥P ABCD -的侧面积为8+2．(2022·全国高三专题练习)如图，在四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1中，D 1D ⊥底面ABCD ，BD 1⊥B 1D ，四边形ABCD 是边长为4的菱形，D 1D ＝6，E ，F 分别是线段AB 的两个三等分点．(1)求证：D 1F //平面A 1DE ；(2)求四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的表面积．【答案】(1)证明见解析(2)96+【解析】(1)连接1AD 交1A D 于M ，连接ME ，如图，,M E 分别为1AD ，AF 的中点，1//ME D F ∴,又1D F ⊄平面A 1DE ，ME ⊂平面A 1DE ，∴ D 1F //平面A 1DE(2)在四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1中，D 1D ⊥底面ABCD ， 所以四棱柱为直四棱柱， 因为在矩形11D DBB 中，BD 1⊥B 1D ， 所以四边形11D DBB 是正方形， 所以16DB D D ==,所以23ABDABCD S S===菱形又44696S =⨯⨯=侧，所以2=96+296S S S =+⨯=+侧底即四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的表面积为96+3．(2022·上海闵行区·高三一模)如图，在圆柱1OO 中，AB 是圆柱的母线，BC 是圆柱的底面O 的直径，D 是底面圆周上异于B ､C 的点.(1)求证：CD ⊥平面ABD ；(2)若2BD =，4CD =，6AC =，求圆柱1OO 的侧面积.【答案】(1)证明见解析；(2).【解析】(1)如图所示：由已知可知AB ⊥平面BCD ，CD ⊂平面BCD ，AB CD ∴⊥点D 是O 上异于B ､C 的点，BC 是O 的直径，所以CD BD ⊥，又AB BD B =，∴CD ⊥平面ABD .(2)在Rt BDC 中，2BD =，4CD =，90BDC ∠=︒， ∴BC =∴4AB =∴圆柱1O O 的侧面积为：S 侧BC AB π=⋅⋅=.考点题型三 点面距【例3】(2022·河南信阳市·高三月考)如图，在长方体1111ABCD A B C D -中，M 为11B C 中点．(1)求证：1//AB 平面1BD M ；(2)若12AA AD ==，AB =A 到平面1BD M 的距离．【答案】(1)证明见解析；． 【解析】(1)连接1AC 交1BD 于点O ，则O 为1AC 中点，连接OM ，又M 为11B C 中点，故OM 为11AB C △的中位线，故1//OM AB ，又OM ⊂平面1BD M ，1AB ⊄平面1BD M ，所以1//AB 平面1BD M ．(2)由(1)知，1//AB 平面1BD M ，则A 到平面1BD M 的距离与1B 到平面1BD M 的距离相等，连接11D B ．故1111D BB M B D MB V V --=，又1D MB △中，13D M =，BM =14BD =． 由余弦定理知：15cos 6MD B ∠=，则1sin 6MD B ∠=故11111sin 2BD M S BD D M MD B =⋅⋅∠=，1111111111213232D BB M V BB B M C D -=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=. 故1B 到平面1BD M的距离111311D BB MBD MV d S -===△ 即点A 到平面1BD M的距离为11． 【举一反三】1．(2022·安徽蚌埠市·高三二模)如图，已知四边形ABCD 和BCEG 均为直角梯形，AD ∥BC，CE ∥BG ，且2BCD BCE π∠=∠=，120ECD ∠=︒，222BC CD CE AD BG =====．(1)求证：AG ∥平面BDE ；(2)求点G 到平面BDE 的距离．【答案】(1)证明见解析；. 【解析】(1)证明：在平面BCEG 中，过G 作GN CE ⊥于N ，交BE 于M ，连接DM ， 由题意知MG MN =，////MN BC DA 且12MN AD BC ==， ∴//MG AD ，MC AD =，∴四边形ADMG 为平行四边形，∴//AG DM ，又DM ⊂平面BDE ，AG ⊄平面BDE ，∴//AG 平面BDE ．(2),BC CE BC CD ⊥⊥，CE CD C =，,CE CD ⊂平面CDE ，∴BC ⊥平面ECD ，∵BC ⊂平面BCE∴平面BCE ⊥平面ECD ，在平面ECD 内过D 点作DF CE ⊥交CE 于F ，则DF ⊥平面BCE ，∵120ECD ∠=︒，∴60DCF ∠=︒，sin 60DF DC =︒=设点G 到平面BDE 的距离为d ，则由G BDE D BEG V V --=得1133BDE BEG S d S DF ⋅=⋅，由题意知BE BD ==DE ==1122BDE S DE ==⋅= 112BEG S BG BC =⋅=代入1133BDE BEG S d S DF ⋅=⋅，解得5d =，即点G 到平面BDE ． 2．(2022·河南高三期末)如图，直四棱柱1111ABCD A B C D -的底面ABCD 为平行四边形，133,5,cos ,,5AD AB BAD BD DD E ==∠==是1CC 的中点．(Ⅰ)求证：平面DBE ⊥平面1ADD ；(Ⅱ)求点1C 到平面BDE 的距离．【答案】(Ⅰ)证明见解析；(Ⅱ【解析】(Ⅰ)由题意可得2222cos 16BD AD AB AB AD BAD =+-⨯∠=，所以222AD BD AB +=，因此AD BD ⊥，在直四棱柱1111ABCD A B C D -中，1DD ⊥平面ABCD ，所以1DD BD ⊥，又因为1AD DD D =，所以BD ⊥平面1ADD ，因为BD ⊂平面DBE ，所以平面DBE ⊥平面1ADD ．(Ⅱ)如图，在平面1BCC 内作1C F BE ⊥，垂足为F ．由(Ⅰ)知BD ⊥平面1ADD ，因为平面1//ADD 平面1BCC ，所以BD ⊥平面1BCC ，所以1BD C F ⊥，又因为BD BE B ⋂=，所以1C F ⊥平面BDE ．所以线段1C F 的长就是点1C 到平面BDE 的距离．因为114,3CC DD BD BC ====，所以12,CE C E BE ===．在平面1BCC 内，可知1BCE C FE ∽，所以11C F BC C E BE ==，得1C F = 所以点1C 到平面BDE．3．(2022·河南驻马店市·高三期末)如图，该多面体由底面为正方形ABCD 的直四棱柱被截面AEFG 所截而成，其中正方形ABCD 的边长为4，H 是线段EF 上(不含端点)的动点，36==FC EB ．(1)证明：//GH 平面ABCD ；(2)求H 到平面AEC 的距离．【答案】(1)证明见解析；．【解析】(1)证明：取BC 的中点M ，连接HM ，DM ．因为该多面体由底面为正方形ABCD 的直四棱柱被截面AEFG 所截而成，所以截面AEFG 是平行四边形，则4=-=DG CF EB ．因为36==FC EB ， 所以1(26)42=⨯+=HM ，且DG//FC//HM ， 所以四边形DGHM 是平行四边形，所以GH //DM ．因为DM ⊂平面ABCD ，GH ⊄平面ABCD ，所以//GH 平面ABCD ．(2)解：连接HA ，HC ，AF ，记F 到平面ACE 的距离为d ，则H 到平面ACE 的距离为2d ． 在CEF △中，6EF =，高为4，所以CEF △的面积为164122⨯⨯=．因为三棱锥A CEF -的高为4，所以A CEF -的体积为1124163⨯⨯=．在ACE △中，AC =AE CE ==，所以ACE △的面积为12⨯． 因为A CEF -的体积与F ACE -的体积相等，所以1163⨯=d ，所以d =故H 到平面ACE ．。
考点24 空间几何体体积及表面积(讲解)(解析版)
考点24:空间几何体的表面积和体积【思维导图】【常见考法】考法一：体积1．（等体积法之换顶点）如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 是平行四边形，222AD BD AB ===，平面PAD ⊥底面ABCD ，且PA PD ==E ，F 分别为PC ，BD 的中点.（1）求证：//EF 平面PAD ；（2）求证：平面PAD ⊥平面PBD ；（3）求三棱锥B PCD -的体积.【答案】（1）证明见解析（2）证明见解析（3）23【解析】（1）如图，连接AC .因为底面ABCD 是平行四边形，且F 是BD 的中点，所以F 也是AC 的中点.又因E 是PC 的中点，所以//EF PA .因为PA ⊂平面PAD ，EF ⊄平面PAD ，所以//EF 平面PAD .（2）在ABD △中，因为222AD BD AB ===，所以2228AD BD AB +==，则BD AD ⊥.又因为侧面PAD ⊥底面ABCD ，交线为AD ，而BD ⊂平面ABCD ，所以BD ⊥平面PAD .因为BD ⊂平面PBD ，所以平面PAD ⊥平面PBD .（3）取AD 中点为O ，连接PO .因为PA PD =，O 为AD 的中点，所以PO AD ⊥，又因为侧面PAD ⊥底面ABCD ，交线为AD ，所以PO ⊥平面ABCD .因为PA PD ==2AD =，所以2224PA PD AD +==，所以PA PD ⊥.所以1PO =，所以三棱锥B PCD -的体积11122213323B PCD P BCD BCD V V S PO --==⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=△.2.（等体积法之点面距）已知三棱锥A BPC -中，,AP PC AC BC ⊥⊥，M 为AB 的中点，D 为PB 的中点，且PMB ∆为正三角形.（1）求证：BC ⊥平面APC ；（2）若310BC AB ==，，求点B 到平面DCM 的距离.【答案】（1）证明见解析；（2）125.【解析】（1）证明：如图，∵PMB ∆为正三角形，且D 为PB 的中点，∴MD PB ⊥.又∵M 为AB 的中点，D 为PB 的中点，∴//MD AP ,∴AP PB ⊥.又已知AP PC ⊥,∴AP ⊥平面PBC ,∴⊥AP BC .又∵,AC BC AC AP A ⊥⋂=,∴BC ⊥平面APC .（2）解：法一：记点B 到平面MDC 的距离为h ，则有M BCD B MDCV V --=∵10AB =∴5MB PB ==，又3BC BC PC =⊥，,∴4PC =，∴11324BDC PBC S S PC BC ∆∆==⋅=，又532=MD ，∴15332M BCD BDC V MD S -∆=⋅=，在PBC ∆中，1522CD PB ==，又∵MD DC ⊥，∴125328MDC S MD DC ∆=⋅=，∴11255333382B MDC MDC V h S h -∆=⋅==，∴125h =即点B 到平面MDC 的距离为125.法二：∵平面DCM ⊥平面PBC 且交线为DC ，过B 作BH DC ⊥，则BH ⊥平面DCM ，BH 的长为点B 到平面DCM 的距离；∵10AB =，∴5MB PB ==，又3,BC BC PC =⊥，∴4PC =，∴11324BDC PBC S S PC BC ∆∆==⋅=.又1522CD PB ==，∴15324BCD S CD BH BH ∆=⋅==，∴125BH =，即点B 到平面MDC 的距离为125.3．（补形法）将棱长为2的正方体1111ABCD A B C D -截去三棱锥1D ACD -后得到如图所示几何体，O 为11A C 的中点．（1）求证：//OB 平面1ACD ；（2）求几何体111ACB A D 的体积．【答案】（1）见解析；（2）4.【解析】（1）取AC 中点为1O ，连接1OO 、11B D 、11O D ．在正方形1111D C B A 中，O 为11A C 的中点，O ∴为11B D 的中点．在正方体1111ABCD A B C D -中，11//AA CC 且11AA CC =，∴四边形11AA C C 为平行四边形，11//AC A C ∴且11AC A C =，O 、1O 分别为11A C 、AC 的中点，11//AO A O ∴且11AO A O =，所以，四边形11AA OO 为平行四边形，11//OO AA ∴且11OO AA =，11//AA BB 且11AA BB =，11//OO BB ∴且11OO BB =，所以，四边形11OO BB 为平行四边形，11//O B OB ∴且11O B OB =，O 为11B D 的中点，11//OD O B ∴且11OD O B =，则四边形11O BOD 为平行四边形，11//OB O D ∴，又BO ⊄平面1ACD ，11O D ⊂平面1ACD ，因此，//OB 平面1ACD ；（2）∵正方体1111ABCD A B C D -的棱长为2，1111328ABCD A B C D V -∴==，1112223243D ACD V -=⨯⨯⨯⨯=．又11111111111ACB A D ABC C D A B A BCB C B C D V V V V ---=--，且111111111420833ABC C D A B ABCD A B C D D ACD V V V ---=-=-=，而111143A BCB C B C D V V --==，1112042433ACB A D V ∴=-⨯=．4．（分割法）如图，矩形ABCD 中，3AB =，1BC =，E 、F 是边DC 的三等分点.现将DAE ∆、CBF ∆分别沿AE 、BF 折起，使得平面DAE 、平面CBF 均与平面ABFE 垂直.（1）若G 为线段AB 上一点，且1AG =，求证：DG 平面CBF ；（2）求多面体CDABFE 的体积.【答案】(1)见证明(2)2【解析】（1）分别取AE ，BF 的中点M ，N ，连接DM ，CN ，MG ，MN ，因为1AD DE ==，90ADE ︒∠=，所以DM AE ⊥，且22DM =.因为1BC CF ==，90BCF ∠= ，所以CN BF ⊥，且2CN =.因为面DAE 、面CBF 均与面ABFE 垂直，所以DM ⊥面ABFE ，CN ⊥面ABFE ，所以DM CN ，且DM CN =.因为cos45AM AG ︒=，所以90AMG ︒∠=，所以AMG ∆是以AG 为斜边的等腰直角三角形，故45MGA ︒∠=，而45FBA ︒∠=，则MG FB ，故面DMG 面CBF ，则DG 面CBF .（2）如图，连接BE ，DF ，由（1）可知，DM CN ，且DM CN =，则四边形DMNC 为平行四边形，故22EF AB DC MN +===.因为D ABE B EFCD V V V --=+33D ABE B DEF D ABE D BEF V V V V ----=+=+，所以1131322V ⎛⎫=⨯⨯⨯⨯+ ⎪⎝⎭113113222⎛⎫⨯⨯⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭.考法二：表面积1．如图，在四棱锥P ABCD -中，2AD =，1AB BC CD ===，//BC AD ，90PAD ∠=︒.PBA ∠为锐角，平面PAB ⊥平面PBD.（Ⅰ）证明：PA ⊥平面ABCD ；（Ⅱ）AD 与平面PBD 所成角的正弦值为24，求三棱锥P ABD -的表面积.【答案】（Ⅰ）证明见解析；（Ⅱ）3362+.【解析】（Ⅰ）如图所示：作AM PB ⊥于M ，因为平面PAB ⊥平面PBD所以AM ⊥平面PBD .所以AM BD⊥取AD 中点为Q ，则=BC QD ，且//BC QD所以1====BQ CD QD QA所以90ABD ∠=︒，BD AB⊥又PBA ∠为锐角，∴点M 与点B 不重合.所以DB ⊥平面PAB DB PA ⇒⊥.又PA AD ⊥，DB 与AD 为平面ABCD 内两条相交直线，故PA ⊥平面ABCD .（Ⅱ）由（Ⅰ）知：AM ⊥平面PBD ，故ADM ∠即为AD 与平面PBD 所成角，2242AM AM AD =⇒=.在Rt PAB 中，2452AM PBA =⇒∠=︒，故1PA =，12PAB S =△，1PAD S =△，322ABD AB BD S ⋅==△.而90PBD ∠=︒，所以236222△⋅===PBD PB BD S故所求表面积为：136********+++++=.2．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB BC ⊥，1222AA AB BC ===，M ，N ，D 分别为AB ，1BB ，1CC 的中点，E 为线段MN 上的动点.（1）证明：//CE 平面1ADB ；（2）若将直三棱柱111ABC A B C -沿平面1ADB 截开，求四棱锥1A BCDB -的表面积.【答案】（1）证明见解析；（2）2632++.【解析】（1）证明：连接CM ，CN ，因为N ，D 分别为1BB ，1CC 中点，所以1112NB BB =，1112C D CC =，又因为11//BB CC ，11BB CC =，所以1//NB CD ，1NB CD =，所以四边形1NCDB 为平行四边形，所以1//NC DB ，又M 为AB 中点，所以1//MN AB ，又CM CN C ⋂=，111AB DB B ⋂=，所以平面//MCN 平面1ADB ，又CE ⊂平面MCN ，所以//CE 平面1ADB .（2）连接BD ，因为AB BC ⊥，1B B AB ⊥，1BC BB B = ，BC ⊂平面11BCC B ，1BB ⊂平面11BCC B ，所以AB ⊥平面11BCC B ，所以AB BD ⊥，11122ABC S ⨯==△，12112ABB S ⨯==△，12222ACD S ==△，1(12)1322BCDB S +⨯==梯形，在1ADB ∆中，3AD =，15AB =12DB =，所以22211AD DB AB +=，所以1AD DB ⊥，123622ADB S ==△，所以四棱锥1A BCDB -的表面积1236261322222S +=++++=+.3．如图,四棱锥P ABCD -中,底面ABCD 是菱形,PA ⊥平面ABCD ,3ABC π∠=,M 是PC 上一动点.（1）求证:平面PAC ⊥平面MBD ;（2）若PB PD ⊥,三棱锥P ABD -的体积为624,求四棱锥P ABCD -的侧面积.【答案】（1）证明见解析（2【解析】(1) PA ⊥平面ABCD ,BD ⊂平面ABCD ,PA BD ∴⊥.底面ABCD 是菱形BD AC ∴⊥.又PA AC A =Q I ,PA ⊂平面PAC ,AC ⊂平面PAC ,BD ∴⊥平面PAC .又 BD ⊂平面MBD ,∴平面PAC ⊥平面MBD .(2)设菱形ABCD 的边长为x ,3ABC π∠=Q ,23BAD π∴∠=.在ABD ∆中,22222212cos 22()32BD AD AB AD AB BAD x x x =+-⋅∠=-⋅-=BD ∴=.又 PA ⊥平面ABCD ,AB AD =,PB PD ⊥,PB PD ∴==,故22PA x =.又22112sin sin 223ABD S AB AD BAD x π∆=⋅⋅∠=⋅=,2-11326=334224ABD P ABD V S PA x ∆∴=⋅⋅=⋅⋅三棱锥,解得:1x =,2PA PB PD ∴===,3ABC π∠= 1AC AB ∴==又 PA ⊥平面ABCD ,2PC PB ∴==,∴四棱锥P ABCD -的侧面积为:11222(11)2222PAB PBC S S ∆∆+=⨯+=.考法三：求参数1．如图，在以A 、B 、C 、D 、E 、F 为顶点的五面体中，面ABCD 是等腰梯形，//AB CD ，面ABFE 是矩形，平面ABFE ⊥平面ABCD ，BC CD AE a ===，60DAB ∠= .（1）求证：平面⊥BDF 平面ADE ；（2）若三棱锥B DCF -的体积为312，求a 的值.【答案】（1）证明见解析；（2）1.【解析】（1）因为四边形ABFE 是矩形，故EA AB ⊥，又平面ABFE ⊥平面ABCD ，平面ABFE 平面ABCD AB =，AE ⊂平面ABFE ，所以AE ⊥平面ABCD ，又BD ⊂面ABCD ，所以AE BD ⊥，在等腰梯形ABCD 中，60DAB ∠= ，120ADC BCD ︒∴∠=∠=，因BC CD =，故30BDC ∠=o ，1203090ADB ∠=-= ，即AD BD ⊥，又AE AD A = ，故BD ⊥平面ADE ，BD ⊂Q 平面BDF ，所以平面⊥BDF 平面ADE ；（2）BCD 的面积为2213sin12024BCD S a a == ，//AE FB ，AE ⊥平面ABCD ，所以，BF ⊥平面ABCD ，231333341212D BCF F BCD V V a a a --∴==⋅⋅==，故1a =.2．如图，在四棱锥P ABCD -中，PAD ∆是等边三角形，O 是AD 上一点，平面PAD ⊥平面,ABCD //,,1,2,3AB CD AB AD AB CD BC ⊥===.（1）若O 是AD 的中点，求证：OB ⊥平面POC ；（2）设=OD OAλ=，当λ取何值时，三棱锥B POC -【答案】（1）证明见解析；（2）1λ=.【解析】（1）因为//,,1,2,3AB CD AB AD AB CD BC ⊥===，所以AD ==.因为O 是AD 的中点，所以OA OD ==223,6OB OC ==，所以222OB OC BC +=，所以OB OC ⊥.又因为平面PAD ⊥平面,ABCD 所以PO ⊥平面,ABCD 所以PO ⊥,0OB PO OC ⋂=，所以OB ⊥平面POC .（2）设OD OAλ=，所以0OD A λ=，因为PAD ∆是等边三角形，平面PAD ⊥平面,ABCD点P 到平面ABCD 的距离，即为四棱锥P ABCD -的高，且h =因为13B POC P BOC POC V V S h --∆===所以()111322222BOC S AB CD AD AB OA AD OD ∆=+⨯-⨯-⨯=整理得：()12OA λ+=又因为OD OA OA OA λ+=+=解得1λ=考法四：求最值1．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，1AB =，2BC =，13,90,BB ABC =∠=点D 为侧棱1BB 上一个动点（1）求此直三棱柱111ABC A B C -的表面积；（2）当1AD DC +最小时，求三棱锥1D ABC -的体积.【答案】（1）11+2）13【解析】（1）1111112ABB A ACC A BCC B ABCS S S S S ∆=+++表113233212112=⨯+⨯++⨯⨯⨯=+（2）将三棱柱展开成矩形11ACC A ，连接1AC ，交1BB 于点D ，则此时1AD DC +最小.1BD AB CC AC = ，1313BD ∴=⨯=.11111222ABD S AB BD ∆∴=⨯=⨯⨯=.1BB ⊥ 平面111A B C ，且11B C ⊂平面111A B C ，1BB ∴⊥11B C ，又11B C ⊥11A B 且11A B 11BB B ⋂=，11A B ，1BB ⊂平面11ABB A ，11B C ∴⊥平面11ABB A 11B C ∴为1C 到平面11ABB A 的距离，1111111123323D ABC C ABD ABD V V S B C --∴==⋅=⨯⨯=.2．如图1，在矩形ABCD 中，2AB =，3BC =，点E 在线段BC 上，2BE EC =.把BAE ∆沿AE 翻折至1B AE ∆的位置，1B ∉平面AECD ，连结1B D ，点F 在线段1DB 上，12DF FB =，如图2.（1）证明：//CF 平面1B AE ；（2）当三棱锥1B ADE -的体积最大时，求二面角1B DE C --的余弦值.【答案】（1）证明见解析；（2）31919-.【解析】（1）依题意得，在矩形ABCD 中，2AB =，3BC =，2BE EC =，所以3AD =，1EC =.在线段1B A 上取一点M ，满足12AM MB =，又因为12DF FB =，所以11B M B F MA FD=，故//FM AD ，又因为//EC AD ，所以//EC FM ，因为113FM AD ==，所以EC FM =，所以四边形FMEC 为平行四边形，所以//CF EM ，又因为CF ⊄平面1B AE ，EM ⊂平面1B AE ，所以//CF 平面1B AE .（2）设1B 到平面AECD 的距离为h ，113B AED AED V S h -∆=⋅⋅，又3AED S ∆=，所以1B AED V h -=，故要使三棱锥1B AED -的体积取到最大值，仅需h 取到最大值.取AE 的中点O ，连结1B O ，依题意得1B O AE ⊥，则1h B O ≤=，因为平面1B AE 平面AECD AE =，1B O AE ⊥，1B O ⊂平面1B AE ，故当平面1B AE ⊥平面AECD 时，1B O ⊥平面AECD ，1h B O =.即当且仅当平面1B AE ⊥平面AECD 时，1B AED V -取得最大值，此时h =如图，以D 为坐标原点，DA ，DC的方向分别为x 轴，y 轴的正方向建立空间直角坐标系D xyz -，得(0,0,0)D ，(1,2,0)E ，1B ，1DB = ，(1,2,0)DE = ，设(,,)n x y z = 是平面1B ED 的一个法向量，则10,0,n DB n DE ⎧⋅=⎨⋅=⎩得20,20,x y x y ⎧++=⎪⎨+=⎪⎩令1y =，解得n ⎛=- ⎝ ，又因为平面CDE 的一个法向量为(0,0,1)m = ，所以319cos 19||||m n m n m n ⋅⋅===⋅ ，因为1B DE C --为钝角，所以其余弦值等于31919-3．如图1，在边长为4的正方形ABCD 中，E 是AD 的中点，F 是CD 的中点，现将三角形DEF 沿EF 翻折成如图2所示的五棱锥P ABCFE -.（1）求证：AC 平面PEF ；（2）求五棱锥P ABCFE -的体积最大时PAC ∆的面积.【答案】（1）见证明；（2）【解析】证明：（1）在图1中，连接AC .又E ，F 分别为AD ，CD 中点，所以//EF AC .即图2中有//EF AC .又EF ⊂平面PEF ，AC ⊄平面PEF ，所以//AC 平面PEF .解：（2）在翻折的过程中，当平面PEF ⊥平面ABCFE 时，五棱锥P ABCFE -的体积最大.在图1中，取EF 的中点M ，DE 的中点N .由正方形ABCD 的性质知，//MN DF ，MN AD ⊥，1MN NE ==，2AE DF ==，AM ===.在图2中，取EF 的中点H ，分别连接PH ，AH ，取AC 中点O ，连接PO .由正方形ABCD 的性质知，PH EF ⊥.又平面PEF ⊥平面ABCFE ，所以PH ⊥平面ABCFE ，则PH AH ⊥.由4AB =，有2PF AE PE ===，EH PH HF ===AC =，PA ==.同理可知PC =.又O 为AC 中点，所以OP AC ⊥，所以2OP ==，所以11222PAC S OP AC ∆=⨯⨯=⨯⨯=4．如图，AB 是圆O 的直径，点C 是圆O 上异于,A B 的点，PO 垂直于圆O 所在的平面，且1PO =OB =．（Ⅰ）若D 为线段AC 的中点，求证C A ⊥平面D P O ；（Ⅱ）求三棱锥P ABC -体积的最大值；（Ⅲ）若BC =，点E 在线段PB 上，求CE OE +的最小值．【答案】（Ⅰ）详见解析；（Ⅱ）13；（Ⅲ）262．【解析】（Ⅰ）在C ∆AO 中，因为C OA =O ，D 为C A 的中点，所以C D A ⊥O ．又PO 垂直于圆O 所在的平面，所以C PO ⊥A ．因为D O PO =O ，所以C A ⊥平面D P O ．（Ⅱ）因为点C 在圆O 上，所以当C O ⊥AB 时，C 到AB 的距离最大，且最大值为1．又2AB =，所以C ∆AB 面积的最大值为12112⨯⨯=．又因为三棱锥C P -AB 的高1PO =，故三棱锥C P -AB 体积的最大值为111133⨯⨯=．（Ⅲ）在∆POB 中，1PO =OB =，90∠POB = ，所以PB ==．同理C P =C C PB =P =B ．在三棱锥C P -AB 中，将侧面C B P 绕PB 旋转至平面C B 'P ，使之与平面ABP 共面，如图所示．当O ，E ，C '共线时，C E +OE 取得最小值．又因为OP =OB ，C C 'P ='B ，所以C O '垂直平分PB ，即E 为PB 中点．从而2626222C C O '=OE +E '=+=，亦即C E +OE 的最小值为2+．。
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空间几何体的表面积与体积考点与题型归纳一、基础知识1．圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式①几何体的侧面积是指（各个）侧面面积之和，而表面积是侧面积与所有底面面积之和.②圆台、圆柱、圆锥的转化当圆台的上底面半径与下底面半径相等时，得到圆柱；当圆台的上底面半径为零时，得到圆锥，由此可得：2．空间几何体的表面积与体积公式二、常用结论几个与球有关的切、接常用结论 (1)正方体的棱长为a ，球的半径为R ， ①若球为正方体的外接球，则2R ＝3a ； ②若球为正方体的内切球，则2R ＝a ； ③若球与正方体的各棱相切，则2R ＝2a .(2)若长方体的同一顶点的三条棱长分别为a ，b ，c ，外接球的半径为R ，则2R ＝a 2＋b 2＋c 2.(3)正四面体的外接球与内切球的半径之比为3∶1. 考点一 空间几何体的表面积[典例] (1)(2018·全国卷Ⅰ)已知圆柱的上、下底面的中心分别为O 1，O 2，过直线O 1O 2的平面截该圆柱所得的截面是面积为8的正方形，则该圆柱的表面积为( )A ．122πB ．12πC ．82πD ．10π(2)(2019·沈阳质检)某四棱锥的三视图如图所示，则该四棱锥的侧面积是( )A ．4＋4 2B ．42＋2C ．8＋4 2D.83[解析] (1)设圆柱的轴截面的边长为x ， 则x 2＝8，得x ＝22，∴S 圆柱表＝2S 底＋S 侧＝2×π×(2)2＋2π×2×22＝12π.故选B.(2)由三视图可知该几何体是一个四棱锥，记为四棱锥P ABCD ，如图所示，其中P A ⊥底面ABCD ，四边形ABCD 是正方形，且P A ＝2，AB ＝2，PB ＝22，所以该四棱锥的侧面积S 是四个直角三角形的面积和，即S ＝2×⎝⎛⎭⎫12×2×2＋12×2×22＝4＋42，故选A. [答案] (1)B (2)A [题组训练]1．(2019·武汉部分学校调研)一个几何体的三视图如图所示，则它的表面积为( )A ．28B ．24＋25C ．20＋4 5D ．20＋25解析：选B 如图，三视图所对应的几何体是长、宽、高分别为2,2,3的长方体去掉一个三棱柱后的棱柱ABIE DCMH ，则该几何体的表面积S ＝(2×2)×5＋⎝⎛⎭⎫12×1×2×2＋2×1＋2×5＝24＋2 5 .故选B.2．(2018·郑州第二次质量预测)某几何体的三视图如图所示，则该几何体的表面积是( )A．20＋2π B．24＋(2－1)πC．24＋(2－2)π D．20＋(2＋1)π解析：选B由三视图知，该几何体是由一个棱长为2的正方体挖去一个底面半径为1、高为1的圆锥后所剩余的部分，所以该几何体的表面积S＝6×22－π×12＋π×1×2＝24＋(2－1)π，故选B.考点二空间几何体的体积[典例](1)(2019·开封高三定位考试)某几何体的三视图如图所示，其中俯视图为扇形，则该几何体的体积为()A．4πB．2πC.4π3D ．π(2)(2018·天津高考)如图，已知正方体ABCD A 1B 1C 1D 1的棱长为1，则四棱锥A 1BB 1D 1D 的体积为________．[解析] (1)直接法由题意知该几何体的直观图如图所示，该几何体为圆柱的一部分，设底面扇形的圆心角为α，由tan α＝31＝3，得α＝π3，故底面面积为12×π3×22＝2π3，则该几何体的体积为2π3×3＝2π.(2)法一：直接法连接A 1C 1交B 1D 1于点E ，则A 1E ⊥B 1D 1，A 1E ⊥BB 1，则A 1E ⊥平面BB 1D 1D ， 所以A 1E 为四棱锥A 1BB 1D 1D 的高，且A 1E ＝22， 矩形BB 1D 1D 的长和宽分别为2，1， 故V A 1BB 1D 1D ＝13×(1×2)×22＝13.法二：割补法连接BD 1，则四棱锥A 1BB 1D 1D 分成两个三棱锥B A 1DD 1与B A 1B 1D 1，所以V A 1BB 1D 1D ＝V B A 1DD 1＋V B A 1B 1D 1＝13×12×1×1×1＋13×12×1×1×1＝13.[答案] (1)B (2)13[题组训练]1.(等体积法)如图所示，已知三棱柱ABC A 1B 1C 1的所有棱长均为1，且AA 1⊥底面ABC ，则三棱锥B 1ABC 1的体积为( )A.312B.34C.612D.64解析：选A 三棱锥B 1ABC 1的体积等于三棱锥A B 1BC 1的体积，三棱锥A B 1BC 1的高为32，底面积为12，故其体积为13×12×32＝312. 2.(割补法)某几何体的三视图如图所示，则这个几何体的体积是( )A ．13B ．14C ．15D ．16解析：选C 所求几何体可看作是将长方体截去两个三棱柱得到的几何体，在长方体中还原该几何体，如图中ABCD A ′B ′C ′D ′所示，长方体的长、宽、高分别为4,2,3，两个三棱柱的高为2，底面是两直角边长分别为3和1.5的直角三角形，故该几何体的体积V ＝4×2×3－2×12×3×32×2＝15，故选C.3.(直接法)一个由半球和四棱锥组成的几何体，其三视图如图所示，则该几何体的体积为( )A.13＋23π B.13＋23π C.13＋26π D ．1＋26π 解析：选C 由三视图知，四棱锥是底面边长为1，高为1的正四棱锥，结合三视图可得半球半径为22，从而该几何体的体积为13×12×1＋12×4π3×⎝⎛⎭⎫223＝13＋26π. 考点三 与球有关的切、接问题考法(一) 球与柱体的切、接问题[典例] (2017·江苏高考)如图，在圆柱O 1O 2内有一个球O ，该球与圆柱的上、下底面及母线均相切．记圆柱O 1O 2的体积为V 1，球O 的体积为V 2，则V 1V 2的值是________．[解析] 设球O 的半径为R ，因为球O 与圆柱O 1O 2的上、下底面及母线均相切，所以圆柱的底面半径为R 、高为2R ，所以V 1V 2＝πR 2·2R 43πR 3＝32.[答案] 32考法(二) 球与锥体的切、接问题[典例] (2018·全国卷Ⅲ)设A ，B ，C ，D 是同一个半径为4的球的球面上四点，△ABC为等边三角形且其面积为93，则三棱锥D ABC 体积的最大值为( )A ．123B ．183C ．24 3D ．543[解析] 由等边△ABC 的面积为93，可得34AB 2＝93，所以AB ＝6，所以等边△ABC 的外接圆的半径为r ＝33AB ＝2 3.设球的半径为R ，球心到等边△ABC 的外接圆圆心的距离为d ，则d ＝R 2－r 2＝16－12＝2.所以三棱锥D ABC 高的最大值为2＋4＝6，所以三棱锥D ABC 体积的最大值为13×93×6＝18 3.[答案] B[题组训练]1．(2018·福建第一学期高三期末考试)已知圆柱的高为2，底面半径为3，若该圆柱的两个底面的圆周都在同一个球面上，则这个球的表面积等于( )A ．4π B.163πC.323π D ．16π解析：选D 如图，由题意知圆柱的中心O 为这个球的球心， 于是，球的半径r ＝OB ＝OA 2＋AB 2＝12＋(3)2＝2. 故这个球的表面积S ＝4πr 2＝16π.故选D.2．三棱锥P ABC 中，AB ＝BC ＝15，AC ＝6，PC ⊥平面ABC ，PC ＝2，则该三棱锥的外接球表面积为________．解析：由题可知，△ABC 中AC 边上的高为15－32＝6，球心O 在底面ABC 的投影即为△ABC 的外心D ，设DA ＝DB ＝DC ＝x ，所以x 2＝32＋(6－x )2，解得x ＝564，所以R 2＝x 2＋⎝⎛⎭⎫PC 22＝758＋1＝838(其中R 为三棱锥外接球的半径)，所以外接球的表面积S ＝4πR 2＝832π.答案：832π[课时跟踪检测]1．(2019·深圳摸底)过半径为2的球的一条半径的中点，作垂直于该半径的平面，则所得截面的面积与球的体积的比值为( )A.932 B.916 C.38D.316解析：选A 由题意知所得截面为圆，设该圆的半径为r ，则22＝12＋r 2，所以r 2＝3，所以所得截面的面积与球的体积的比值为π×343π×23＝932，故选A.2．如图是某一几何体的三视图，则这个几何体的体积为( )A ．4B ．8C ．16D ．20解析：选B 由三视图知，此几何体是一个三棱锥，底面为一边长为6，高为2的三角形，三棱锥的高为4，所以体积为V ＝13×12×6×2×4＝8.故选B.3.《九章算术》是我国古代内容极为丰富的数学名著，书中有如下问题：“今有委米依垣内角，下周八尺，高五尺．问：积及为米几何？”其意思为：“在屋内墙角处堆放米(如图，米堆为一个圆锥的四分之一)，米堆底部的弧长为8尺，米堆的高为5尺，问米堆的体积和堆放的米各为多少？”已知1斛米的体积约为1.62立方尺，圆周率约为3，估算出堆放的米约有( )A ．14斛B ．22斛C ．36斛D ．66斛解析：选B 设米堆的底面半径为r 尺，则π2r ＝8，所以r ＝16π，所以米堆的体积为V ＝14×13π×r 2×5＝π12×⎝⎛⎭⎫16π2×5≈3209(立方尺)．故堆放的米约有3209÷1.62≈22(斛)． 4．(2018·贵阳摸底考试)某实心几何体是用棱长为1 cm 的正方体无缝粘合而成的，其三视图如图所示，则该几何体的体积为( )A ．35 cm 3B ．40 cm 3C ．70 cm 3D ．75 cm 3解析：选A 结合题中三视图可得，该几何体是个组合体，该组合体从下到上依次为长、宽、高分别为5 cm,5 cm,1 cm 的长方体，长、宽、高分别为3 cm,3 cm,1 cm 的长方体，棱长为1 cm 的正方体，故该组合体的体积V ＝5×5×1＋3×3×1＋1×1×1＝35(cm 3)．故选A.5．(2019·安徽知名示范高中联考)某几何体的三视图如图所示，则该几何体的体积为( )A ．1 B.12 C.13D.14解析：选C 法一：该几何体的直观图为四棱锥S ABCD ，如图，SD ⊥平面ABCD ，且SD ＝1，四边形ABCD 是平行四边形，且AB ＝DC ＝1，连接BD ，由题意知BD ⊥DC ，BD ⊥AB ，且BD ＝1，所以S 四边形ABCD ＝1，所以V S ABCD ＝13S 四边形ABCD ·SD ＝13，故选C.法二：由三视图易知该几何体为锥体，所以V ＝13Sh ，其中S 指的是锥体的底面积，即俯视图中四边形的面积，易知S ＝1，h 指的是锥体的高，从正视图和侧视图易知h ＝1，所以V ＝13Sh ＝13，故选C.6．(2019·重庆调研)某简单组合体的三视图如图所示，则该组合体的体积为( )A.83π3＋833B.43π3＋833C.43π3＋433D.83π3＋433解析：选B 由三视图知，该组合体是由一个半圆锥与一个三棱锥组合而成的，其中圆锥的底面半径为2、高为42－22＝23，三棱锥的底面是斜边为4、高为2的等腰直角三角形，三棱锥的高为23，所以该组合体的体积V ＝12×13 π×22×23＋13×12×4×2×23＝43π3＋833，故选B. 7．(2019·湖北八校联考)已知一几何体的三视图如图所示，它的侧视图与正视图相同，则该几何体的表面积为( )A ．16＋12πB ．32＋12πC ．24＋12πD ．32＋20π解析：选A 由三视图知，该几何体是一个正四棱柱与半球的组合体，且正四棱柱的高为2，底面对角线长为4，球的半径为2，所以该正四棱柱的底面正方形的边长为22，该几何体的表面积S ＝12×4π×22＋π×22＋22×2×4＝12π＋16，故选A.8．(2019·福州质检)已知正三棱柱ABC A 1B 1C 1中，底面积为334，一个侧面的周长为63，则正三棱柱ABC A 1B 1C 1外接球的表面积为( )A ．4πB ．8πC ．16πD ．32π解析：选C 如图所示，设底面边长为a ，则底面面积为34a 2＝334，所以a ＝ 3.又一个侧面的周长为63，所以AA 1＝2 3.设E ，D 分别为上、下底面的中心，连接DE ，设DE 的中点为O ，则点O 即为正三棱柱ABC A 1B 1C 1的外接球的球心，连接OA 1，A 1E ，则OE ＝3，A 1E ＝3×32×23＝1.在直角三角形OEA 1中，OA 1＝12＋(3)2＝2，即外接球的半径R ＝2，所以外接球的表面积S ＝4πR 2＝16π，故选C.9．(2017·天津高考)已知一个正方体的所有顶点在一个球面上，若这个正方体的表面积为18，则这个球的体积为________．解析：由正方体的表面积为18，得正方体的棱长为 3. 设该正方体外接球的半径为R ，则2R ＝3，R ＝32，所以这个球的体积为43πR 3＝4π3×278＝9π2.答案：9π210．某四棱柱的三视图如图所示，则该四棱柱的体积为________．解析：由题意知该四棱柱为直四棱柱，其高为1，底面为上底长为1，下底长为2，高为1的等腰梯形，所以该四棱柱的体积为V ＝(1＋2)×12×1＝32.答案：3211．一个圆锥的表面积为π，它的侧面展开图是圆心角为2π3的扇形，则该圆锥的高为________．解析：设圆锥底面半径是r ，母线长为l ，所以πr 2＋πrl ＝π，即r 2＋rl ＝1，根据圆心角公式2π3＝2πr l ，即l ＝3r ，所以解得r ＝12，l ＝32，那么高h ＝l 2－r 2＝ 2.答案：212．(2017·全国卷Ⅰ)已知三棱锥S ABC 的所有顶点都在球O 的球面上，SC 是球O 的直径．若平面SCA ⊥平面SCB ，SA ＝AC ，SB ＝BC ，三棱锥S ABC 的体积为9，则球O 的表面积为________．解析：如图，连接AO ，OB ， ∵SC 为球O 的直径， ∴点O 为SC 的中点， ∵SA ＝AC ，SB ＝BC ， ∴AO ⊥SC ，BO ⊥SC ，∵平面SCA ⊥平面SCB ，平面SCA ∩平面SCB ＝SC ， ∴AO ⊥平面SCB ，设球O 的半径为R ， 则OA ＝OB ＝R ，SC ＝2R . ∴V S ABC ＝V A SBC ＝13×S △SBC ×AO＝13×⎝⎛⎭⎫12×SC ×OB ×AO ， 即9＝13×⎝⎛⎭⎫12×2R ×R ×R ，解得 R ＝3， ∴球O 的表面积S ＝4πR 2＝4π×32＝36π. 答案：36π13.如图是一个以A 1B 1C 1为底面的直三棱柱被一平面所截得到的几何体，截面为ABC ，已知A 1B 1＝B 1C 1＝2，∠A 1B 1C 1＝90°，AA 1＝4，BB 1＝3，CC 1＝2，求：(1)该几何体的体积； (2)截面ABC 的面积．解：(1)过C 作平行于A 1B 1C 1的截面A 2B 2C ，交AA 1，BB 1分别于点A 2，B 2.由直三棱柱性质及∠A 1B 1C 1＝90°可知B 2C ⊥平面ABB 2A 2，则该几何体的体积V ＝VA 1B 1C 1A 2B 2C ＋VC ABB 2A 2＝12×2×2×2＋13×12×(1＋2)×2×2＝6. (2)在△ABC 中，AB ＝22＋(4－3)2＝5，BC ＝22＋(3－2)2＝5， AC ＝(22)2＋(4－2)2＝2 3.则S △ABC ＝12×23×(5)2－(3)2＝ 6.14.如图，四边形ABCD 为菱形，G 为AC 与BD 的交点，BE ⊥平面ABCD . (1)证明：平面AEC ⊥平面BED ；(2)若∠ABC ＝120°，AE ⊥EC ，三棱锥E ACD 的体积63，求该三棱锥E ACD 的侧面积．解：(1)证明：因为四边形ABCD为菱形，所以AC⊥BD.因为BE⊥平面ABCD，AC⊂平面ABCD，所以BE⊥AC.因为BD∩BE＝B，BD⊂平面BED，BE⊂平面BED，所以AC⊥平面BED.又AC⊂平面AEC，所以平面AEC⊥平面BED.(2)设AB＝x，在菱形ABCD中，由∠ABC＝120°，可得AG＝GC＝32x，GB＝GD＝x2.因为AE⊥EC，所以在Rt△AEC中，可得EG＝32x.由BE⊥平面ABCD，知△EBG为直角三角形，可得BE＝22x.由已知得，三棱锥EACD的体积V三棱锥EACD＝13·12AC·GD·BE＝624x3＝63，故x＝2.从而可得AE＝EC＝ED＝ 6.所以△EAC的面积为3，△EAD的面积与△ECD的面积均为 5.故三棱锥EACD的侧面积为3＋2 5.。