第二节 空间几何体的表面积与体积

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空间几何体的体积与表面积计算

空间几何体的体积与表面积计算

空间几何体的体积与表面积计算在几何学中,空间几何体是指具有三维形状的实体物体。

计算空间几何体的体积和表面积是几何学中的基本内容之一,它涉及到数学中的公式和计算方法。

本文将介绍常见空间几何体的体积与表面积的计算方法。

一、球体的体积与表面积计算球体是一种常见的空间几何体,其体积与表面积的计算公式如下:1. 球体的体积计算:球体的体积计算公式为V = (4/3)πr³,其中 V 代表球体的体积,π 是圆周率(取近似值3.14159),r 是球体的半径。

2. 球体的表面积计算:球体的表面积计算公式为S = 4πr²,其中 S 代表球体的表面积,π 是圆周率,r 是球体的半径。

二、长方体的体积与表面积计算长方体是另一种常见的空间几何体,它有六个面,分别是底面、顶面和四个侧面。

长方体的体积与表面积的计算公式如下:1. 长方体的体积计算:长方体的体积计算公式为 V = lwh,其中 V 代表长方体的体积,l、w、h 分别代表长方体的长、宽、高。

2. 长方体的表面积计算:长方体的表面积计算公式为 S = 2lw + 2lh + 2wh,其中 S 代表长方体的表面积,l、w、h 分别代表长方体的长、宽、高。

三、圆柱体的体积与表面积计算圆柱体是由两个平行且相等的圆面和一个侧面组成的几何体。

圆柱体的体积与表面积的计算公式如下:1. 圆柱体的体积计算:圆柱体的体积计算公式为V = πr²h,其中 V 代表圆柱体的体积,π是圆周率,r 是底面圆的半径,h 是圆柱体的高。

2. 圆柱体的表面积计算:圆柱体的表面积计算公式为S = 2πrh + 2πr²,其中 S 代表圆柱体的表面积,π 是圆周率,r 是底面圆的半径,h 是圆柱体的高。

四、三棱锥的体积与表面积计算三棱锥是由一个底面和三个侧面组成的几何体。

三棱锥的体积与表面积的计算公式如下:1. 三棱锥的体积计算:三棱锥的体积计算公式为V = (1/3)Bh,其中V 代表三棱锥的体积,B 是底面的面积,h 是三棱锥的高。

空间几何体的表面积与体积

空间几何体的表面积与体积

V柱 = pR2·2R
面积, 再减去渗水孔的面积.
组合体的体积怎样计算?
柱体、锥体、台体 京沪铁路全长1462 km,
球的表面积公式是怎样的? 是用什么方法得到的?
京沪高铁全长1318 km. 0230568 (kg),
的表面积与体积
∴ h(a+c)>bh,
≈1197 (cm2).
球的体积和表面积
柱体、锥体、台体 的表面积与体积
12
解: 这个零件的表面积为
S = S棱柱表+S圆柱侧
p = 2 [ 6 3 ( 2 + 1 4 )+ 6 2 ] 1 5 + 2 6 25
≈1579.485 (mm2),
10000个零件的表面积约为15794850 mm2,
约合15.795平方米.
2. 如图是一种机器零件, 零件
下面是六棱柱 (底面是正六边形, 侧
种零件需要用锌, 已知每平方米用锌 0.
某街心花园有许多钢球(钢的密度是7.
在△SBC中, 边长为 a,
五棱台的上、下底面均是正五边形, 边长分别是 8 cm 和 18 cm, 侧面是全等的等腰梯形, 侧棱长是 13 cm, 求它的侧面面积.
≈2956 (mm3)
圆柱、圆锥、圆台的表面积
当半球切得的片数无限多,
2. 圆柱、圆锥、圆台的表面积 底面积加侧面积.
底面积: S底=p r2. 圆柱侧面积: S柱侧=2p rh. 圆锥侧面积: S锥侧=p rl. 圆台侧面积: S台侧=p l (r+r).
【课时小结】
3. 柱体、锥体、台体体积
柱体体积: V柱 = Sh.
锥体体积:
V锥
=

8.2空间几何体的表面积与体积

8.2空间几何体的表面积与体积

1.多面体的表(侧)面积因为多面体的各个面都是平面,所以多面体的侧面积就是所有侧面的面积之和,表面积是侧面积与底面面积之和.2.柱、锥、台和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 =13Sh台体(棱台和圆台)S 表面积=S 侧+S 上+S 下V =13(S 上+S 下+S 上S 下)h球S =4πR 2V =43πR 33.常用结论(1)与体积有关的几个结论①一个组合体的体积等于它的各部分体积的和或差. ②底面面积及高都相等的两个同类几何体的体积相等. (2)几个与球有关的切、接常用结论 a.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 .b.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.c.正四面体的外接球与内切球的半径之比为3∶1. 【思考辨析】判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)多面体的表面积等于各个面的面积之和.( √ ) (2)锥体的体积等于底面积与高之积.( × ) (3)球的体积之比等于半径比的平方.( × )(4)简单组合体的体积等于组成它的简单几何体体积的和或差.( √ ) (5)长方体既有外接球又有内切球.( × )(6)台体的体积可转化为两个锥体的体积之差来计算.( √ )1.将边长为1的正方形以其一边所在直线为旋转轴旋转一周,所得几何体的侧面积是( ) A.4π B.3π C.2π D.π 答案 C解析 底面圆半径为1,高为1,侧面积S =2πrh =2π×1×1=2π.故选C. 2.(2014·重庆)某几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为( )A.12B.18C.24D.30答案 C解析 由俯视图可以判断该几何体的底面为直角三角形,由主视图和左视图可以判断该几何体是由直三棱柱(侧棱与底面垂直的棱柱)截取得到的.在长方体中分析还原,如图(1)所示,故该几何体的直观图如图(2)所示.在图(1)中,V 111ABC A B C -棱柱=S △ABC ·AA 1=12×4×3×5=30,V 111P A B C 锥-棱=13S111A B C ·PB 1=13×12×4×3×3=6.故几何体ABC -P A 1C 1的体积为30-6=24.故选C.3.(2015·陕西)一个几何体的三视图如图所示,则该几何体的表面积为( )A.3πB.4πC.2π+4D.3π+4答案 D解析 由三视图可知原几何体为半圆柱,底面半径为1,高为2,则表面积为: S =2×12π×12+12×2π×1×2+2×2=π+2π+4=3π+4.4.(教材改编)一个棱长为2 cm 的正方体的顶点都在球面上,则球的体积为________ cm 3. 答案 43π解析 由题意知正方体的体对角线为其外接球的直径, 所以其外接球的半径r =12×23=3(cm),所以V 球=43π×r 3=43π×33=43π(cm 3).5.(2015·天津)一个几何体的三视图如图所示(单位:m),则该几何体的体积为________m 3.答案 83π解析 由三视图可知,该几何体由相同底面的两圆锥和圆柱组成,底面半径为1 m ,圆锥的高为1 m ,圆柱的高为2 m ,所以该几何体的体积V =2×13π×12×1+π×12×2=83π (m 3).题型一 求空间几何体的表面积例1 (1)(2015·安徽)一个四面体的三视图如图所示,则该四面体的表面积是( )A.1+ 3B.1+2 2C.2+ 3D.2 2(2)(2015·课标全国Ⅰ)圆柱被一个平面截去一部分后与半球(半径为r )组成一个几何体,该几何体三视图中的主视图和俯视图如图所示.若该几何体的表面积为16+20π,则r 等于( )A.1B.2C.4D.8(3)(2014·山东)一个六棱锥的体积为23,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 (1)C (2)B (3)12解析 (1)由几何体的三视图可知空间几何体的直观图如图所示. ∴其表面积S 表=2×12×2×1+2×34×(2)2=2+3,故选C.(2)由主视图与俯视图想象出其直观图,然后进行运算求解.如图,该几何体是一个半球与一个半圆柱的组合体,球的半径为r ,圆柱的底面半径为r ,高为2r ,则表面积S =12×4πr 2+πr 2+4r 2+πr ·2r =(5π+4)r 2.又S =16+20π,∴(5π+4)r 2=16+20π,∴r 2=4,r =2,故选B. (3)设正六棱锥的高为h ,侧面的斜高为h ′. 由题意,得13×6×12×2×3×h =23,∴h =1,∴斜高h ′=12+(3)2=2, ∴S 侧=6×12×2×2=12.思维升华 空间几何体表面积的求法(1)以三视图为载体的几何体的表面积问题,关键是分析三视图确定几何体中各元素之间的位置关系及数量.(2)多面体的表面积是各个面的面积之和;组合体的表面积注意衔接部分的处理. (3)旋转体的表面积问题注意其侧面展开图的应用.(2014·安徽)一个多面体的三视图如图所示,则该多面体的表面积为( )A.21+ 3B.18+ 3C.21D.18答案 A解析 由几何体的三视图可知,该几何体的直观图如图所示. 因此该几何体的表面积为6×(4-12)+2×34×(2)2=21+ 3.故选A.题型二 求空间几何体的体积命题点1 求以三视图为背景的几何体的体积例2 (2015·课标全国Ⅱ)一个正方体被一个平面截去一部分后,剩余部分的三视图如图,则截去部分体积与剩余部分体积的比值为( )A.18 B.17 C.16 D.15答案 D解析 如图,由题意知,该几何体是正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1被过三点A 、B 1、D 1的平面所截剩余部分,截去的部分为三棱锥A-A 1B 1D 1,设正方体的棱长为1,则截去部分体积与剩余部分体积的比值为V 111A A B D -V 111B C D ABCD -=V 111A AB D -V 1111A BCD ABCD --V 111A A B D -=13×12×12×113-13×12×12×1=15.选D.命题点2 求简单几何体的体积例3 (2015·山东)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 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,如图所示,该几何体的体积为V =V 圆柱-V 圆锥=π·AB 2·BC -13·π·CE 2·DE =π×12×2-13π×12×1=5π3,故选C.(1)一块石材表示的几何体的三视图如图所示,将该石材切削、打磨,加工成球,则能得到的最大球的体积等于( )A.4π3 B.32π3 C.36πD.256π3(2)如图,在多面体ABCDEF 中,已知ABCD 是边长为1的正方形,且△ADE ,△BCF 均为正三角形,EF ∥AB ,EF =2,则该多面体的体积为( ) A.23B.33C.43D.32答案 (1)B (2)A解析 (1)由三视图可知该几何体是一个直三棱柱,底面为直角三角形,高为12,如图所示,其中AC =6,BC =8,∠ACB =90°,则AB =10.由题意知,当打磨成的球的大圆恰好与三棱柱底面直角三角形的内切圆相同时,该球的半径最大.即r =6+8-102=2,故能得到的最大球的体积为43πr 3=4π3×8=32π3,故选B.(2)如图,分别过点A ,B 作EF 的垂线,垂足分别为G ,H ,连接DG ,CH ,容易求得EG =HF =12,AG =GD =BH =HC =32,∴S △AGD =S △BHC =12×22×1=24,∴V =V E -ADG +V F -BCH +V AGD -BHC =2V E -ADG +V AGD -BHC =13×24×12×2+24×1=23.故选A.思维升华 空间几何体体积问题的常见类型及解题策略(1)若所给定的几何体是可直接用公式求解的柱体、锥体或台体,则可直接利用公式进行求解. (2)若所给定的几何体的体积不能直接利用公式得出,则常用转换法、分割法、补形法等方法进行求解. (3)若以三视图的形式给出几何体,则应先根据三视图得到几何体的直观图,然后根据条件求解. 题型三 与球有关的切、接问题例4 已知直三棱柱ABC -A 1B 1C 1的6个顶点都在球O 的球面上,若AB =3,AC =4,AB ⊥AC ,AA 1=12,则球O 的半径为( )A.3172B.210C.132 D.310答案 C解析 如图所示,由球心作平面ABC 的垂线, 则垂足为BC 的中点M . 又AM =12BC =52,OM =12AA 1=6,所以球O 的半径R =OA =(52)2+62=132. 引申探究1.本例若将直三棱柱改为“棱长为4的正方体”,则此正方体外接球和内切球的体积各是多少? 解 由题意可知,此正方体的体对角线长即为其外接球的直径,正方体的棱长即为其内切球的直径.设该正方体外接球的半径为R ,内切球的半径为r . 又正方体的棱长为4,故其体对角线长为43, 从而V 外接球=43πR 3=43π×(23)3=323π,V 内切球=43πr 3=43π×23=32π3.2.本例若将直三棱柱改为“正四面体”,则此正四面体的表面积S 1与其内切球的表面积S 2的比值为多少? 解 设正四面体棱长为a ,则正四面体表面积为S 1=4·34·a 2=3a 2,其内切球半径r 为正四面体高的14,即r =14·63a =612a ,因此内切球表面积为S 2=4πr 2=πa 26,则S 1S 2=3a 2πa 26=63π.3.本例中若将直三棱柱改为“侧棱和底面边长都是32的正四棱锥”,则其外接球的半径是多少? 解 依题意得,该正四棱锥的底面对角线的长为32×2=6,高为(32)2-(12×6)2=3,因此底面中心到各顶点的距离均等于3,所以该正四棱锥的外接球的球心即为底面正方形的中心,其外接球的半径为3.思维升华 空间几何体与球接、切问题的求解方法(1)求解球与棱柱、棱锥的接、切问题时,一般过球心及接、切点作截面,把空间问题转化为平面图形与圆的接、切问题,再利用平面几何知识寻找几何中元素间的关系求解.(2)若球面上四点P ,A ,B ,C 构成的三条线段P A ,PB ,PC 两两互相垂直,且P A =a ,PB =b ,PC =c ,一般把有关元素“补形”成为一个球内接长方体,利用4R 2=a 2+b 2+c 2求解.如图,直三棱柱ABC -A 1B 1C 1的六个顶点都在半径为1的半球面上,AB=AC ,侧面BCC 1B 1是半球底面圆的内接正方形,则侧面ABB 1A 1的面积为( ) A.22B.1C. 2D. 3答案 C解析 由题意知,球心在侧面BCC 1B 1的中心O 上,BC 为△ABC 所在圆面的直径,∴∠BAC =90°,△ABC 的外接圆圆心N 是BC 的中点,同理△A 1B 1C 1的外心M 是B 1C 1的中点.设正方形BCC 1B 1的边长为x ,Rt △OMC 1中,OM =x 2,MC 1=x2,OC 1=R =1(R为球的半径),∴(x 2)2+(x2)2=1,即x =2,则AB =AC =1, ∴S 11ABB A 矩形=2×1= 2.14.巧用补形法解决立体几何问题典例 如图:△ABC 中,AB =8,BC =10,AC =6,DB ⊥平面ABC ,且AE ∥FC ∥BD ,BD =3,FC =4,AE =5. 则此几何体的体积为________.思维点拨 将所求几何体补成一个直三棱柱,利用棱柱的体积公式即可求得该几何体的体积.解析 用“补形法”把原几何体补成一个直三棱柱,使AA ′=BB ′=CC ′=8,所以V 几何体=12V 三棱柱=12×S △ABC ·AA ′=12×24×8=96.答案 96温馨提醒 (1)补形法的应用思路:“补形法”是立体几何中一种常见的重要方法,在解题时,把几何体通过“补形”补成一个完整的几何体或置于一个更熟悉的几何体中,巧妙地破解空间几何体的体积等问题,常见的补形法有对称补形、联系补形与还原补形,对于还原补形,主要涉及台体中“还台为锥”. (2)补形法的应用条件:当某些空间几何体是某一个几何体的一部分,且求解的问题直接求解较难入手时,常用该法.[方法与技巧]求空间几何体的侧面积、体积的思想与方法(1)转化与化归思想:计算旋转体的侧面积时,一般采用转化的方法来进行,即将侧面展开化为平面图形,“化曲为直”来解决,因此要熟悉常见旋转体的侧面展开图的形状及平面图形面积的求法.(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.[失误与防范]求空间几何体的表面积应注意的问题(1)求组合体的表面积时,要注意各几何体重叠部分的处理.(2)底面是梯形的四棱柱侧放时,容易和四棱台混淆,在识别时要紧扣定义,以防出错.A 组 专项基础训练 (时间:35分钟)1.(2015·浙江)某几何体的三视图如图所示(单位:cm),则该几何体的体积是( )A.8 cm 3B.12 cm 3C.323 cm 3D.403 cm 3答案 C解析 由三视图可知该几何体是由棱长为2 cm 的正方体与底面为边长为2 cm 正方形、高为2 cm 的四棱锥组成,V =V 正方体+V 四棱锥=8 cm 3+83 cm 3=323cm 3.故选C.2.用平面α截球O 所得截面圆的半径为3,球心O 到平面α的距离为4,则此球的表面积为( ) A.100π3B.500π3C.75πD.100π答案 D解析 依题意,设球半径为R ,满足R 2=32+42=25, ∴S 球=4πR 2=100π.3.(2015·课标全国Ⅰ)《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 答案 B解析 由题意知:米堆的底面半径为163(尺),体积V =13×14πR 2·h ≈3209(立方尺).所以堆放的米大约为3209×1.62≈22(斛).4.一个几何体的三视图如图所示,其中俯视图是菱形,则该几何体的侧面积为( )A.3+ 6B.3+ 5C.2+ 6D.2+ 5答案 C解析 由三视图还原为空间几何体,如图所示, 则有OA =OB =1,AB = 2. 又PB ⊥平面ABCD , ∴PB ⊥BD ,PB ⊥AB ,∴PD =22+1=5,P A =2+12=3,从而有P A 2+DA 2=PD 2,∴P A ⊥DA ,∴该几何体的侧面积S =2×12×2×1+2×12×2×3=2+ 6. 5.(2015·课标全国Ⅱ)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.36πB.64πC.144πD.256π答案 C解析 如图,要使三棱锥O-ABC 即C-OAB 的体积最大,当且仅当点C到平面OAB 的距离,即三棱锥C-OAB 底面OAB 上的高最大,其最大值为球O 的半径R ,则V O-ABC 最大=V C-OAB 最大=13×S △OAB ×R =13×12×R 2×R =16R 3=36,所以R =6,得S 球O =4πR 2=4π×62=144π.选C.6.(2014·山东)三棱锥P -ABC 中,D ,E 分别为PB ,PC 的中点,记三棱锥D -ABE 的体积为V 1,P -ABC的体积为V 2,则V 1V 2=________. 答案 14解析 设点A 到平面PBC 的距离为h .∵D ,E 分别为PB ,PC 的中点,∴S △BDE =14S △PBC , ∴V 1V 2=V A -DBE V A -PBC =13S △BDE ·h 13S △PBC ·h =14. 7.(2015·江苏)现有橡皮泥制作的底面半径为5,高为4的圆锥和底面半径为2、高为8的圆柱各一个.若将它们重新制作成总体积与高均保持不变,但底面半径相同的新的圆锥和圆柱各一个,则新的底面半径为________.答案 7 解析 设新的底面半径为r ,由题意得13πr 2·4+πr 2·8=13π×52×4+π×22×8,解得r =7. 8.一个圆锥过轴的截面为等边三角形,它的顶点和底面圆周在球O 的球面上,则该圆锥的体积与球O 的体积的比值为________.答案 932解析 设等边三角形的边长为2a ,球O 的半径为R ,则V 圆锥=13·πa 2·3a =33πa 3.又R 2=a 2+(3a -R )2,所以R =233a , 故V 球=4π3·(233a )3=323π27a 3, 则其体积比为932. 9.如图所示的三个几何体,一个是长方体,一个是直三棱柱,一个是过圆柱上、下底面圆心切下圆柱的四分之一部分,若这三个几何体的主视图和俯视图是相同的正方形,求它们的表面积之比.解 由题意可知这三个几何体的高都相等,设长方体的底面正方形的边长为a ,高也等于a ,故其表面积为S 1=6a 2.直三棱柱的底面是腰长为a 的等腰直角三角形,高为a ,故其表面积为S 2=12×a ×a +12×a ×a +(a +a +2a )×a =(3+2)a 2.14圆柱的底面是半径为a 的圆的14,高为a ,故其表面积为S 3=14πa 2+14πa 2+a 2+a 2+14×2πa ×a =(π+2)a 2.所以它们的表面积之比为S 1∶S 2∶S 3=6a 2∶(3+2)a 2∶(π+2)a 2=6∶(3+2)∶(π+2).10.(教材改编)已知一个上、下底面为正三角形且两底面中心连线垂直于底面的三棱台的两底面边长分别为20 cm 和30 cm ,且其侧面积等于两底面面积之和,求棱台的高.解 如图所示,三棱台ABC —A 1B 1C 1中,O 、O 1分别为两底面中心,D 、D 1分别为BC 和B 1C 1的中点,则DD 1为棱台的斜高.由题意知A 1B 1=20,AB =30,则OD =53,O 1D 1=1033, 由S 侧=S 上+S 下,得3×12×(20+30)×DD 1=34×(202+302), 解得DD 1=1333,在直角梯形O 1ODD 1中, O 1O =DD 21-(OD -O 1D 1)2=43, 所以棱台的高为4 3 cm.B 组 专项能力提升(时间:25分钟)11.已知球的直径SC =4,A ,B 是该球球面上的两点,AB =3,∠ASC =∠BSC =30°,则棱锥S —ABC 的体积为( )A.3 3B.2 3C. 3D.1答案 C解析 如图,过A 作AD 垂直SC 于D ,连接BD .由于SC 是球的直径,所以∠SAC =∠SBC =90°,又∠ASC =∠BSC =30°,又SC 为公共边, 所以△SAC ≌△SBC .由于AD ⊥SC ,所以BD ⊥SC .由此得SC ⊥平面ABD .所以V S —ABC =V S —ABD +V C —ABD =13S △ABD ·SC . 由于在Rt △SAC 中,∠ASC =30°,SC =4,所以AC =2,SA =23,由于AD =SA ·CASC = 3.同理在Rt △BSC 中也有BD =SB ·CBSC = 3.又AB =3,所以△ABD 为正三角形,所以V S —ABC =13S △ABD ·SC=13×12×(3)2·sin 60°×4=3,所以选C.12.某三棱锥的三视图如图所示,该三棱锥的表面积是( )A.28+6 5B.30+6 5C.56+12 5D.60+12 5答案 B解析 由几何体的三视图可知,该三棱锥的直观图如图所示,其中AE ⊥平面BCD ,CD ⊥BD ,且CD =4,BD =5,BE =2,ED =3,AE =4.∵AE =4,ED =3,∴AD =5.又CD ⊥BD ,CD ⊥AE ,则CD ⊥平面ABD ,故CD ⊥AD ,所以AC =41且S △ACD =10.在Rt △ABE 中,AE =4,BE =2,故AB =2 5.在Rt △BCD 中,BD =5,CD =4,故S △BCD =10,且BC =41.在△ABD 中,AE =4,BD =5,故S △ABD =10.在△ABC 中,AB =25,BC =AC =41,则AB 边上的高h =6,故S △ABC =12×25×6=6 5. 因此,该三棱锥的表面积为S =30+6 5.13.(2015·四川)在三棱柱ABC —A 1B 1C 1中,∠BAC =90°,其主视图和左视图都是边长为1的正方形,俯视图是直角边的长为1的等腰直角三角形,设点M ,N ,P 分别是AB ,BC ,B 1C 1的中点,则三棱锥P —A 1MN 的体积是________.答案 124解析 由题意知还原后的几何体是一个直放的三棱柱,三棱柱的底面是直角边长为1的等腰直角三角形,高为1的直三棱柱,∵V 1—P A MN =V 1—A PMN ,又∵AA 1∥平面PMN ,∴V 1—A PMN =V A —PMN ,∴V A —PMN =13×12×1×12×12=124, 故V 1—P A MN =124. 14.(2015·课标全国Ⅰ)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 的体积为63,求该三棱锥的侧面积. (1)证明 因为四边形ABCD 为菱形,所以AC ⊥BD .因为BE ⊥平面ABCD ,所以AC ⊥BE .故AC ⊥平面BED .又AC ⊂平面AEC ,所以平面AEC ⊥平面BED .(2)解 设AB =x ,在菱形ABCD 中,由∠ABC =120°,可得AG =GC =32x ,GB =GD =x 2. 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E —ACD 的体积V E —ACD =13×12AC ·GD ·BE =624x 3=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E —ACD 的侧面积为3+2 5.15.如图,△ABC 内接于圆O ,AB 是圆O 的直径,四边形DCBE 为平行四边形,DC ⊥平面ABC ,AB =2,EB = 3.(1)求证:DE ⊥平面ACD ;(2)设AC =x ,V (x )表示三棱锥B -ACE 的体积,求函数V (x )的解析式及最大值.(1)证明 ∵四边形DCBE 为平行四边形,∴CD ∥BE ,BC ∥DE .∵DC ⊥平面ABC ,BC ⊂平面ABC ,∴DC ⊥BC .∵AB 是圆O 的直径,∴BC ⊥AC ,且DC ∩AC =C ,∴BC ⊥平面ADC .∵DE ∥BC ,∴DE ⊥平面ADC .(2)解 ∵DC ⊥平面ABC ,∴BE ⊥平面ABC .在Rt △ABE 中,AB =2,EB = 3.在Rt △ABC 中,∵AC =x ,BC =4-x 2(0<x <2),∴S △ABC =12AC ·BC =12x ·4-x 2, ∴V (x )=V E -ABC =36x ·4-x 2(0<x <2). ∵x 2(4-x 2)≤(x 2+4-x 22)2=4,当且仅当x 2=4-x 2,即x =2时,取等号, ∴x =2时,体积有最大值33.。

9.2空间几何体的表面积与体积(教师版)

9.2空间几何体的表面积与体积(教师版)

科 目 数学 年级 高三 备课人 高三数学组 第 课时 9.2空间几何体的表面积与体积考纲定位 了解求、棱柱、棱锥、台的表面积和体积的计算公式;培养学生的空间想象力、逻辑推理能力和计算能力,会利用所学公式进行必要的计算;注意提高认识图、理解图、应用图的能力.一、考点梳理1.柱、锥、台、球的侧面积和体积(1)棱柱、棱锥、棱台的侧面积、表面积是指: ;(2)棱柱的体积公式: ;棱锥的体积公式: ;球的体积: .2. 旋转体的面积和体积公式名称 圆柱圆锥 圆台 球 S 侧S 表V二、典型例题例1、已知几何体的三视图如图所示,它的表面积是( ).42.22.32.6A B C D +++例2、一个几何体的三视图如图所示,则这个几何体的体积等于( )A .4B .6C .8D .12例3、已知一个几何体的三视图如图所示,则此几何体的体积是____.三、高考真题 1.(2012·安徽)某几何体的三视图如图所示,该几何体的表面积是.922.(2012·江西)若一个几何体的三视图如图所示,则此几何体的体积为( )D(A)112 (B)5 (C)92(D)43.(2012·新课标)如图,网格纸上小正方形的边长为1,粗线画出的是某几何体的三视图,则此几何体的体积为( )B(A)6 (B)9 (C)12 (D)184.(2012·全国)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 为球O 的直径,且SC=2,则此棱锥的体积为( )A 2.6A (B) 36 (C)23 (D)225.(2012·全国)平面α截球O 的球面所得圆的半径为1,球心O 到平面α的距离为2,则此球的体积为( ) B(A )6π (B )43π (C )46π (D )63π6.(2012·广东)某几何的三视图如图所示,它的体积为( )C(A)72π (B)48π (C)30π (D)24π【课后反思】。

空间几何体的表面积及体积计算公式

空间几何体的表面积及体积计算公式

空间几何体的表面积及体积计算公式空间几何体是指在三维坐标系中存在的几何图形,包括立方体、圆锥体、圆柱体、球体等等。

对于这些几何体来说,求其表面积和体积是我们在学习空间几何时需要掌握的核心内容。

下面我们将详细介绍各种空间几何体的表面积及体积的计算公式。

一、立方体立方体是一种六个面都是正方形的几何体,其表面积和体积计算公式如下:表面积 = 6 × a²体积 = a³其中,a为立方体的边长。

二、正方体正方体是一种所有面都是正方形的几何体,其表面积和体积计算公式如下:表面积 = 6 × a²体积 = a³其中,a为正方体的边长。

三、圆锥体圆锥体是一种由一个圆锥顶点和一个底面为圆形的仿射锥面构成的几何体,其表面积和体积计算公式如下:表面积= πr²+πrl体积= 1/3πr²h其中,r为底面圆半径,l为母线长度,h为圆锥体的高。

四、圆柱体圆柱体是一种由平行于固定轴的两个相等且共面的圆面和它们之间的圆柱面所围成的几何体,其表面积和体积计算公式如下:表面积= 2πrh+2πr²体积= πr²h其中,r为底面圆半径,h为圆柱体的高。

五、球体球体是一种由所有到球心的距离等于固定半径的点所组成的几何体,其表面积和体积计算公式如下:表面积= 4πr²体积= 4/3πr³其中,r为球体的半径。

以上就是五种常见空间几何体的表面积及体积计算公式,希望能够对大家在学习空间几何时有所帮助。

同时,我们也需要关注其实际应用,在工程建设和生活中经常会涉及到这些几何体的计算,因此深化这些知识点的学习,将对我们未来的发展产生积极的影响。

1.3.1空间几何体的表面积与体积

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2.圆柱、圆锥、圆台的侧面积有如下关系:
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已知棱长为5,底面为正方形的各侧面均为正三角形的 四棱锥S-ABCD,如图所示,求它的表面积.
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=2×5×
52-522=25 3.
S 表面积=S 侧+S 底=25 3+25=25( 3+1).
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【 题 后 总 结 】(1) 本 题 属 求 棱 锥 的 表 面 积 , 可 以 先 求 侧 面 积,再求底面积.求侧面积,要清楚各侧面三角形的形状,并 找出求面积的条件;求底面积要清楚底面多边形的形状及求其 面积的条件.
(2)求几何体的表面积问题,通常将所给几何体分成基本的 柱体、锥体、台体,再通过这些基本柱体、锥体、台体的表面 积进行求和或作差,从而获得几何体的表面积.另外,有时也 会用到将几何体展开求其展开图的面积进而得表面积.
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1.已知直角梯形ABCD,BC∥AD,∠ABC=90°,AB=5 cm,BC=16 cm,AD=4 cm.求以AB所在直线为轴旋转一周所得 几何体的表面积.
第一章 空间几何体
1.3 空间几何体的表面积与体积 1.3.1 柱体、锥体、台体的表面积与体积
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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

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.。

1.3空间几何体的表面积和体积

1.3空间几何体的表面积和体积

变题1.如果球O和这个正方体的六个面 2 都相切,则有S= a 。 变题2.如果球O和这个正方体的各条棱 2 都相切,则有S= 2a 。
D A D1 A1 B C
O
C1 B1
变式练习.有三个球,一球切于正方体的各 面,一球切于正方体的各侧棱,一球过正方 体的各顶点,求这三个球的体积之比. 作轴截面
s3
R
O
s2 s1
4 3 V球 = πR 3 1 1 1 = RS1 + RS2 + RS3 +... 3 3 3 1 = R(S1 + S2 + S3 +...) 3 1 = RS球表 3
s3
R
O
s2 s1
S球表=4πR2
例4 如图,圆柱的底面直径与高都等于球的直径。 求证: (1) 球的体积等于圆柱体积的2/3; (2) 球的表面积等于圆柱的侧面积。
7
例1 已知棱长为a,各面均为等边三角形的四面体 S-ABC,求他的表面积。
S
A
B C
练习:下图是一个几何体的三视图(单位:cm)想 象对应的几何体,并求出它的表面积 6
8
10
10
6 10
解:直观图是四棱台,侧 面是四个全等的梯形,上 下底面为不同的正方形
12
例2 如图,一个圆台形花盆盆口直径为20cm,盆 底直径为15cm,底部渗水圆孔直径为1.5cm, 盆壁长15cm。为了美化花盆的外观,需要涂 油漆。已知每平方米用100毫升油漆,涂100 个这样的花盆需要多少油漆(π取3.14,结果 精确到1毫升,可用计算器)?
S 4 R2 3 a 2
例5.如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为a,它的各个顶点 都在球O的球面上,问球O的表面积。
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第二节 空间几何体的表面积与体积考试要求了解球、棱柱、棱锥、棱台的表面积和体积的计算公式.[知识排查·微点淘金]知识点1 圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式 圆柱圆锥圆台侧面展 开图侧面积 公式S 圆柱侧=2πrlS 圆锥侧=πrlS 圆台侧=π(r 1+r 2)l[微拓展] 圆台、圆柱、圆锥之间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:S 圆柱侧=2πrl ――→r ′=rS 圆台侧=π(r +r ′)l ――→r ′=0S 圆锥侧=πrl . 知识点2 空间几何体的表面积与体积公式名称几何体表面积 体积 柱体(棱柱和圆柱) S 表面积=S 侧+2S 底 V =S 底h 锥体(棱锥和圆锥)S 表面积=S 侧+S 底 V =13S 底h台体(棱台和圆台)S 表面积=S 侧+ S 上+S 下 V =13(S 上+S 下+S 上S 下)h 球S =4πR 2V =43πR 3[微拓展]柱体、锥体、台体的体积公式间的联系:V 柱体=Sh ――→S ′=SV 台体=13(S ′+S ′S +S )h ――→S ′=0V 锥体=13Sh . 常用结论 几个与球有关的切、接问题的常用结论(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.[小试牛刀·自我诊断]1.思维辨析(在括号内打“√”或“×”) (1)锥体的体积等于底面面积与高的乘积.(×) (2)球的体积之比等于半径比的平方.(×) (3)台体的体积可转化为两个锥体的体积之差.(√) (4)已知球O 的半径为R ,其内接正方体的边长为a ,则R =32a .(√) 2.(链接教材必修2 P 27T 1)已知圆锥的表面积等于12π cm 2,其侧面展开图是一个半圆,则底面圆的半径为( )A .1 cmB .2 cmC .3 cmD .32cm解析:选B.S 表=πr 2+πrl =πr 2+πr ·2r =3πr 2=12π, ∴r 2=4,∴r =2.3.(链接教材必修2P 28A 组T 3)如图,将一个长方体用过相邻三条棱的中点的平面截出一个棱锥,则该棱锥的体积与剩下的几何体的体积的比为 .解析:设长方体的相邻三条棱长分别为a ,b ,c ,它截出棱锥的体积V 1=13×12×12a ·12b ·12c =148abc ,剩下的几何体的体积V 2=abc -148abc =4748abc ,所以V 1∶V 2=1∶47. 答案:1∶474.(忘记分类讨论)圆柱的侧面展开图是边长为6π和4π的矩形,则圆柱的表面积为.解析:分两种情况:①以长为6π的边为高时,4π为圆柱底面周长,则2πr=4π,r=2,所以S底=4π,S侧=6π·4π=24π2,S表=2S底+S侧=8π+24π2=8π(3π+1);②以长为4π的边为高时,6π为圆柱底面周长,则2πr=6π,r=3,所以S底=9π,S表=2S底+S侧=18π+24π2=6π(4π+3).答案:6π(4π+3)或8π(3π+1)5.(对组合体不能合理分割)如图所示,由圆柱与圆锥组合而成的几何体的三视图如图所示,则该几何体的表面积为.解析:设圆柱底面半径为r,周长为c,圆锥母线长为l,圆柱高为h.由题中三视图得r=2,c=2πr=4π,h=4,由勾股定理得:l=22+(23)2=4,S表=πr2+ch+12cl=4π+16π+8π=28π.答案:28π一、基础探究点——空间几何体的表(侧)面积(题组练透)1.(2021·新高考卷Ⅰ)已知圆锥的底面半径为2,其侧面展开图为一个半圆,则该圆锥的母线长为()A.2B.22C.4D.4 2解析:选B由题意知圆锥的底面周长为22π.设圆锥的母线长为l,则πl=22π,即l=2 2.故选B.2.如图为某几何体的三视图,则该几何体的表面积是()A.6+4 2B.4+4 2C .6+2 3D .4+2 3解析:选C 由三视图还原几何体知,该几何体为如图所示的三棱锥P -ABC ,其中P A ⊥平面ABC ,AB ⊥AC ,AB =AC =AP =2,故其表面积S =⎝⎛⎭⎫12×2×2×3+12×(22)2×sin 60°=6+2 3.3.如图,一个棱长为4的正方体被挖去一个高为4的正四棱柱后得到图中的几何体,若该几何体的体积为60,则该几何体的表面积为 .解析:设正四棱柱的底面边长为m ,则4(42-m 2)=60,解得m =1,则该几何体的表面积为42×4+(42-12)×2+4×1×4=110.答案:1104.已知一个圆锥的底面半径为6,其体积为30π,则该圆锥的侧面积为 . 解析:设圆锥的高为h ,母线长为l ,则圆锥的体积V =13×π·62·h =30π,解得h =52.所以l =r 2+h 2=62+⎝⎛⎭⎫522=132,故圆锥的侧面积S =πrl =π·6×132=39π.答案:39π求空间几何体表面积时应注意(1)以三视图为载体的几何体的表面积问题,关键 是分析三视图确定几何体中各元素之间的位置关系及数量关系.(2)多面体的表面积是各个面的面积之和;组合体的表面积问题应注意衔接部分的处理.(3)旋转体的表面积问题应注意其侧面展开图的应用.二、综合探究点——空间几何体的体积(多向思维)[典例剖析]思维点1直接利用公式求体积问题[例1](1)圆台上、下底面的圆周都在一个直径为10的球面上,其上、下底面半径分别为4和5,则该圆台的体积为.解析:圆台的下底面半径为5,故下底面在外接球的大圆上,如图所示,设球的球心为O,圆台上底面的圆心为O′,则圆台的高OO′=OQ2-O′Q2=52-42=3. 据此可得圆台的体积V=1π×3×(52+5×4+42)=61 π.3答案:61π对于规则几何体的体积问题,可以直接利用公式进行求解. 要注意准确记忆基本体积公式.思维点2割补法求体积问题[例2]《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:“今有刍甍,下广三丈,袤四丈,上袤二丈,无广,高二丈,问:积几何?”其意思为:“今有底面为矩形的屋脊状的锲体,下底面宽3丈,长4丈,上棱长2丈,高2丈,问:它的体积是多少?”(已知1丈为10尺)该锲体的三视图如图所示,则该锲体的体积为()A.12 000立方尺B.11 000立方尺C.10 000立方尺D.9000立方尺解析:由题意,将锲体分割为三棱柱与两个四棱锥的组合体,作出几何体的直观图如图所示:沿上棱两端向底面作垂面,且使垂面与上棱垂直,则将几何体分成两个四棱锥和1个直三棱柱,则三棱柱的体积V 1=12×3×2×2=6,四棱锥的体积V 2=13×1×3×2=2,由三视图可知两个四棱锥大小相等,∴V =V 1+2V 2=10立方丈=10 000立方尺.故选C .答案:C割补法求体积的解题思路首先把不规则的几何体分割成规则的几何体,然后进行体积计算;或者把不规则的几何体补成规则的几何体,不熟悉的几何体补成熟悉的几何体,便于计算.思维点3 等积转换法求体积[例3] 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 .312 B .34 C .612D .64解析:易知三棱锥B 1­ABC 1的体积等于三棱锥A -B 1BC 1的体积,又三棱锥A -B 1BC 1的高为32,底面积为12,故其体积为13×12×32=312. 答案:A等积转化法求体积的解题思路选择合适的底面来求几何体体积,常用于求三棱锥的体积,即利用三棱锥的任一个面可作为三棱锥的底面进行等体积变换.[学会用活]1.如图,长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的体积为36,E 为棱CC 1上的点,且CE =2EC 1,则三棱锥E -BCD 的体积是( )A .3B .4C .6D .12解析:选B 因为S △BCD =12S 四边形ABCD ,CE =23CC 1,VABCD ­A 1B 1C 1D 1=S 四边形ABCD ·CC 1=36,所以V E ­BCD =13S △BCD ·CE =13×12S 四边形ABCD ·23CC 1=19×36=4.故选B.2.如图,网格纸上小正方形的边长为1,粗实线画出的是某几何体的三视图,该几何体由一平面将一圆柱截去一部分后所得,则该几何体的体积为( )A .90πB .63πC .42πD .36π解析:选B 解法一:(割补法)由几何体的三视图可知,该几何体是一个圆柱截去上面虚线部分所得,如图所示.将圆柱补全,并将圆柱从点A 处水平分成上下两部分.由图可知,该几何体的体积等于下部分圆柱的体积加上上部分圆柱体积的12,所以该几何体的体积V =π·32×4+π·32×6×12=63π.故选B.解法二:(估值法)由题意知,12V 圆柱<V 几何体<V 圆柱,又V 圆柱=π·32×10=90π,∴45π<V几何体<90π.观察选项可知只有63π符合.故选B.3.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 .三、应用探究点——与球有关的切、接问题(多向思维)[典例剖析]思维点1 几何体的外接球问题[例4] 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 .18 3C .24 3D .54 3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.故选B.答案:B [拓展变式][变条件、变结论]若本例中的条件变为“直三棱柱ABC -A 1B 1C 1的6个顶点都在球O 的球面上”,若AB =3,AC =4,AB ⊥AC ,AA 1=12,求球O 的表面积.解:将直三棱柱补形为长方体ABEC -A ′B ′E ′C ′(图略),则球O 是长方体ABEC -A ′B ′E ′C ′的外接球,∴体对角线BC ′的长为球O 的直径.因此2R =32+42+122=13,故S 球=4πR 2=169π.处理“相接”问题,要抓住空间几何体“外接”的特点,即球心到多面体的顶点的距离等于球的半径.思维点2 几何体的内切球问题[例5] 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:解法一:如图,在圆锥的轴截面ABC 中,CD ⊥AB ,BD =1,BC =3,圆O 内切于△ABC ,E 为切点,连接OE ,则OE ⊥B C .在Rt △BCD 中,CD =BC 2-BD 2=2 2.易知BE =BD =1,则CE =2.设圆锥的内切球半径为R ,则OC =22-R ,在Rt △COE 中,OC 2-OE 2=CE 2,即(22-R )2-R 2=4,所以R =22,圆锥内半径最大的球的体积为43πR 3=23π. 解法二:如图,记圆锥的轴截面为△ABC ,其中AC =BC =3,AB =2,CD ⊥AB ,在Rt △BCD 中,CD =BC 2-BD 2=22,则S △ABC =2 2.设△ABC 的内切圆O 的半径为R ,则R =2·S △ABC 3+3+2=22,所以圆锥内半径最大的球的体积为43πR 3=23π. 答案:23π处理与球有关内切问题的策略解答此类问题时首先要找准切点,通过作截面来解决.如果内切的是多面体,则作截面时主要抓住多面体过球心的对角面来作.[学会用活]4.长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的长、宽、高分别为2,2,1,其顶点都在球O 的球面上,则球的表面积为 .解析:因为长方体的外接球O 的直径为长方体的体对角线,长方体的长、宽、高分别为2,2,1,所以长方体的外接球O 的直径为4+4+1=3,故长方体的外接球O 的半径为r =32,所以球O 的表面积为S =4πr 2=9π.答案:9π5.已知正四面体P -ABC 的表面积为S 1,此四面体的内切球的表面积为S 2,则S 1S 2= .解析:设正四面体的棱长为a ,则正四面体的表面积为S 1=4×34·a 2=3a 2,其内切球半径r 为正四面体高的14,即r =14×63a =612a ,因此内切球表面积为S 2=4πr 2=πa 26,则S 1S 2=3a 2πa 26=63π. 答案:63π限时规范训练 基础夯实练1.(2021·四川乐至中学月考)已知圆锥的轴截面是边长为2的等边三角形,则该圆锥的侧面积为( )A .33π B .2π C .3πD .4π解析:选B 由题意,圆锥的轴截面是边长为2的等边三角形,即圆锥的底面圆的半径为r =1,母线长为l =2,所以该圆锥的侧面积为S =πrl =π·1×2=2π. 故选B.2.在梯形ABCD 中,∠ABC =90°,AD ∥BC ,BC =2AD =2AB =2.将梯形ABCD 绕AD 所在直线旋转一周而形成的曲面所围成的几何体的体积为( )A .2π3B .4π3C .5π3D .2π解析:选C 由题意可知旋转后的几何体如图所示,直角梯形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是一个底面半径为1,母线长为2的圆柱挖去一个底面半径同样是1、高为1的圆锥后得到的组合体,所以该组合体的体积为V =V 圆柱-V 圆锥=π·12×2-13·π·12×1=53π,故选C .3.(2021·云南昆明月考)某锥体的三视图如图所示,则该几何体的体积为( )A .2B .533C .433D .233解析:选C 由三视图还原几何体得,原几何体是一个四棱锥E -ABCD ,如图所示,四棱锥的高为3,底面是边长为2的正方形,因此体积为13×2×2×3=433,故选C . 4. 《九章算术》中给出了一个圆锥体积近似计算公式V ≈l 2·h36,其中l 为底面周长,它实际上是将圆锥体积中圆周率近似取为3得到的,那么若圆锥体积近似公式为V ≈l 2·275·h ,则相当于圆周率近似取值为( )A .227B .217C .238D .258解析:选D 设圆锥底面圆的半径为r ,高为h ,则l =2πr ,13πr 2h =275(2πr )2 h ,所以π=258. 故选D.5.(2021·四川石室中学开学考试)某柱体的正视图与侧视图是全等的正方形,俯视图是圆,记该柱体的表面积为S 1,其内切球的表面积为S 2,且S 1=λS 2,则λ=( )A .1B .23C .43D .32解析:选D 由已知可得,此柱体为底面直径与高相等的圆柱,设底面圆的半径为r ,则高为2r ,则S 1=2πr 2+2πr ·(2r )=6πr 2,又此柱体内切球的半径为r ,则S 2=4πr 2, 则λ=S 1S 2=6πr 24πr 2=32,故选D. 6.某几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为( )A .π+43B .2π+4C .3π+4D .4π+43解析:选A 由三视图还原原几何体如图,该几何体为组合体,上半部分为半圆柱,下半部分为正四棱锥,圆柱的底面半径为1,高为2,棱锥的底面边长为2,高为1,∴该几何体的体积为12π·12×2+13×22×1=π+43.故选A .7.若圆锥的内切球与外接球的球心重合,且圆锥内切球的半径为1,则圆锥的表面积为 .解析:因为圆锥的内切球与外接球的球心重合,所以圆锥的轴截面为等边三角形,设其边长为a ,则13×32a =1,a =23,所以圆锥的底面圆半径为3,从而利用圆锥的表面积公式可得S =πrl +πr 2=π·3×23+π·(3)2=9π.答案:9π8.(2021·陕西渭南月考)如图所示,正方体的棱长为2,以其所有面的中心为顶点的多面体称为正八面体,则图中正八面体体积为 .若图中正八面体的各个顶点都在同一个球面上,则此球的体积为 .解析:由图可知,该多面体为两个全等正四棱锥的组合体,正四棱锥的高为1,底面正方形的对角线是正方体的棱长2,故正方形的边长等于2,所以该多面体的体积为2×13×(2)2×1=43.由图中几何关系知正八面体的外接球,即正方体的内切球,故半径R =1,所以体积V =43π·13=43π.答案:43 43π9.如图是某个铁质几何体的三视图,其中每个小正方形格子的边长均为1个长度单位,将该铁质几何体熔化,制成一个大铁球,如果在熔制过程中材料没有损耗,则大铁球的表面积 .解析:由三视图知,该铁质几何体是由一个小铁球和一个铁质圆锥体拼接而成,体积之和为43π·13+13π·22×7=323π,设制成的大铁球半径为R ,则43πR 3=323π,解得R =2,故大铁球的表面积为4πR 2=16π.答案:16π综合提升练10.最早的测雨器记载见于南宋数学家秦九韶所著的《数书九章》(1247年).该书第二章为“天时类”,收录了有关降水量计算的四个例子,分别是“天池测雨”“圆罂测雨”“峻积验雪”和“竹器验雪”.其中“天池测雨”法是下雨时用一个圆台形的天池盆收集雨水.已知天池盆盆口直径为二尺八寸,盆底直径为一尺二寸,盆深一尺八寸.当盆中积水深九寸(注:1尺=10寸)时,平地降雨量是( )A .9寸B .7寸C .8寸D .3寸解析:选D 由已知天池盆上底面半径是14寸,下底面半径为6寸,高为18寸,由积水深9寸知水面半径为12×(14+6)=10寸,则盆中水的体积为13π·9×(62+102+6×10)=588π(立方寸),所以平地降雨量为588ππ·142=3(寸),故选D.11.(2021·四川成都月考)一块边长为10 cm 的正方形铁片如图所示的阴影部分截下,然后用余下的四个全等的等腰三角形加工成一个正四棱锥形容器,则这个正四棱锥的外接球的表面积为( )A .2894πB .28916πC .28948πD .28964π解析:选A 由题设知:底面ABCD 的外接圆半径为r =32,且EO =4,令正四棱锥外接球的半径为R ,且外接球的球心必在直线EO 上,∴(R -EO )2+r 2=R 2,即R =174.∴正四棱锥的外接球的表面积为4πR 2=289π4.故选A .12.(2021·安徽合肥一中模拟)学生到工厂劳动实践,利用3D 打印技术制作一个机械零件模型,该零件模型是由两个相同的正四棱柱镶嵌而成的几何体,其三视图如图所示.这个几何体的体积为( )A .16B .403C .16-423D .163解析:选B 由三视图还原几何体如图所示,两个四棱柱的体积均为V 1=12×2×2×4=8,中间重复的部分为两个小正四棱锥,其体积为2V 2=13×2×2×2=83,故该几何体体积为V =16-83=403,故选B.13.有一个圆锥与一个圆柱的底面半径相等,圆锥的母线长是底面半径的2倍,若圆柱的外接球的表面积是圆锥的侧面积的6倍,则圆柱的高是底面半径的 倍.解析:设圆柱的高为h ,底面半径为r ,圆柱的外接球的半径为R ,则R 2=⎝⎛⎭⎫h 22+r 2. ∵母线长l =2r ,∴圆锥的高为3r ,∴圆锥的侧面积为πrl =2πr 2,∴4πR 2=4π⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫h 22+r 2=6×2πr 2,∴h 24+r 2=3r 2,整理得h 2=8r 2,∴hr =2 2.答案:2 214.某市民广场有一批球形路障球(如图1所示). 现公园管理处响应市民要求,决定将每个路障球改造成方便市民歇脚的立方八面体石凳(如图2所示). 其中立方八面体有24条棱、12个顶点、14个面(6个正方形、8个正三角形),它是将立方体“切”去8个“角”后得到的几何体.经过测量,这批球形路障球每个直径为60 cm ,若每个路障球为改造后所得的立方八面体的外接球,则每个改造后的立方八面体表面积为 cm 2.解析:由题意知,立方八面体表面有8个正三角形,再加上6个小正方形,且正方形边长与正三角形边长相等,路障球为立方八面体的外接球. 设立方八面体的棱长为a ,则外接球直径d =2a 2+2a 2=2a =60,则a =30.立方八面体表面积S =6a 2+8×34a 2=5400+1800 3.答案:5400+1800 315.如图1,在一个正方形S 1S 2S 3S 4内,有一个小正方形和四个全等的等边三角形.将四个等边三角形折起来,使S 1,S 2,S 3,S 4重合于点S ,且折叠后的四棱锥S -ABCD 的外接球的表面积是16 π(如图2),则四棱锥的体积是 .解析:在题图2中,连接AC ,BD 交于点O ,连接OS ,如图,因为SD =SB =CD ,BD =2CD ,所以SD ⊥SB ,故OA =OB =OC =OD =OS ,则O 是正四棱锥外接球的球心,正四棱锥的所有棱都相等,设棱长为x ,则外接球的半径是OA =22x ,所以4π⎝⎛⎭⎫22x 2=16π,x =2 2.因此SO =OA =22x =2.故四棱锥S -ABCD 的体积是13·x 2·SO=13×(22)2×2=163. 答案:163创新应用练16.某同学在参加《通用技术》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43的正方体的六个面所截后剩余的部分(球心与正方体的中心重合),若其中一个截面圆的周长为4π,则该球的半径是( )A .2B .4C .26D .4 6解析:选B 设截面圆半径为r ,球的半径为R ,则球心到某一截面的距离为正方体棱长的一半即23,根据截面圆的周长可得4π=2πr ,得r =2,故由题意知R 2=r 2+(23)2,即R 2=22+(23)2=16,所以R =4,故选B.17.(2021·安徽黄山二模)棱长为4的正方体密闭容器内有一个半径为1的小球,小球可在正方体容器内任意运动,则其能到达的空间的体积为( )A .32+22π3B .36+4π3C .44+13π3D .12+12π解析:选A 在正方体的8个顶点处的单位立方体空间内,小球不能到达的空间为8⎣⎡⎦⎤13-18⎝⎛⎭⎫4π3·13=8-4π3,除此之外,在以正方体的棱为一条棱的12个1×1×2的正四棱柱空间内,小球不能到达的空间共为12×⎣⎡⎦⎤1×1×2-14(π·12)×2=24-6π.其他空间小球均能到达.故小球不能到达的空间体积为⎝⎛⎭⎫8-43π+24-6π=32-223 π.∴小球可以经过的空间的体积V =43-⎝⎛⎭⎫12-π4·12×2×12-⎝⎛⎭⎫8-43 π=32+22π3.故选A .。

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