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球与几何体的关系是近年高考经常考查的内容,而且是作为中等难度以上的试题出现.高三学生对球与正方体、球与正四面体、球与长方体、球与长方体“切下的一角”形成的三棱锥的关系有所认知,都是通过还原正方体、长方体来解决,但普通棱锥与球的关系难度就比较大,而高考试题中却屡屡出现,学生找不到正确的解题方法,其原因是受特殊题型的特殊解法束缚,看到外接球的问题,就想补正方体、长方体.事实上,很多棱锥补不出长方体.下面举例说明以外心索球心的方法.
例1 如图1,△ABC是边长为2正三角形,PC⊥平面ABC,PC=2,求外接球的半径.
解:在正△ABC中,作AC、AB的中垂线交于H,过H作平面ABC的垂线,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,所以OH=12PC=1.所以OC2=OH2 HC2.因此R2=1 (233)2=73,即R=213.
例2 如图2,△ABC是边长为2正三角形,平面PAC⊥平面ABC,PC=PA=2,求外接球的半径.
解:在正△ABC中,外心为G,作GF⊥平面ABC,使GF=PD,O为球心,OA=OP=R,OG=OA2-GA2=R2-43,
OF=OP2-PF2=R2-13,OG OF=FG=PD,所以R2-43 R2-13=3,
图3
R=153.
例3 如图3,PA,PB,PC两两垂直.若PA=1,PB=3,PC=2,求外接球的半径.
解:因为AP⊥PB,所以△APB的外心在斜边中点H处,过H作平面APB的垂线,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,所以OH=12PC=1.所以OP2=OH2 PH2.因此R2=1 (102)2=72,即R=142.
例4 如图4,PA⊥PB,平面PAC⊥平面PAB,PA=PB=PC=AC=2,求外接球的半径.
解:过底面外心H作垂線,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,作CF⊥HO,OH2=OP2-PH2,OF2=OC2-CF2,OH=R2-2,OF=R2-1.因为OH OF=HF=CE=3,所以R2-2 R2-1=3,R=213.
例5 如图5,AB⊥BC,PA=PB=PC=AC=2,求外接球的半径.
解:底面△ABC的外心为斜边中点H,易证PH⊥平面ABC.所以球心在PH上.所以OA2=OH2 AH2.所以R2=(3-R)2 1.所以R=233.
例6 图6,在△ABC中,AC=AB=4,BC=2,PA⊥平面ABC,PA=2,求外接球的半径.
解:参看底面ABC的平面图形,底面外接圆圆心为H,则HC2=CD2 (AD-AH)2.所以r2=1 (15-r)2,r=81515.球心在平面ABC垂线上,OA=OP即可,OA2=OH2 AH2,所以R2=1 (81515)2,R=7915.
总之,“以外心索球心”这种方法可以解决很多问题.原则上,只要找到底面的外心,就能找到球心,然后用勾股定理即可.
例1 如图1,△ABC是边长为2正三角形,PC⊥平面ABC,PC=2,求外接球的半径.
解:在正△ABC中,作AC、AB的中垂线交于H,过H作平面ABC的垂线,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,所以OH=12PC=1.所以OC2=OH2 HC2.因此R2=1 (233)2=73,即R=213.
例2 如图2,△ABC是边长为2正三角形,平面PAC⊥平面ABC,PC=PA=2,求外接球的半径.
解:在正△ABC中,外心为G,作GF⊥平面ABC,使GF=PD,O为球心,OA=OP=R,OG=OA2-GA2=R2-43,
OF=OP2-PF2=R2-13,OG OF=FG=PD,所以R2-43 R2-13=3,
图3
R=153.
例3 如图3,PA,PB,PC两两垂直.若PA=1,PB=3,PC=2,求外接球的半径.
解:因为AP⊥PB,所以△APB的外心在斜边中点H处,过H作平面APB的垂线,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,所以OH=12PC=1.所以OP2=OH2 PH2.因此R2=1 (102)2=72,即R=142.
例4 如图4,PA⊥PB,平面PAC⊥平面PAB,PA=PB=PC=AC=2,求外接球的半径.
解:过底面外心H作垂線,则球心O在此垂线上,OP=OC即可,作CF⊥HO,OH2=OP2-PH2,OF2=OC2-CF2,OH=R2-2,OF=R2-1.因为OH OF=HF=CE=3,所以R2-2 R2-1=3,R=213.
例5 如图5,AB⊥BC,PA=PB=PC=AC=2,求外接球的半径.
解:底面△ABC的外心为斜边中点H,易证PH⊥平面ABC.所以球心在PH上.所以OA2=OH2 AH2.所以R2=(3-R)2 1.所以R=233.
例6 图6,在△ABC中,AC=AB=4,BC=2,PA⊥平面ABC,PA=2,求外接球的半径.
解:参看底面ABC的平面图形,底面外接圆圆心为H,则HC2=CD2 (AD-AH)2.所以r2=1 (15-r)2,r=81515.球心在平面ABC垂线上,OA=OP即可,OA2=OH2 AH2,所以R2=1 (81515)2,R=7915.
总之,“以外心索球心”这种方法可以解决很多问题.原则上,只要找到底面的外心,就能找到球心,然后用勾股定理即可.