第1講 空間幾何體的表面積、體積及有關(guān)量的計算

[做小題——激活思維]
1.一個球的表面積是16π,那么這個球的體積為(  )
A.π   B.π   C.16π   D.24π
B [設(shè)球的半徑為R,則由4πR2=16π,解得R=2,所以這個球的體積為πR3=π.]
2.如圖,已知正三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=,AA1=4,若點P從點A出發(fā),沿著正三棱柱的表面,經(jīng)過棱A1B1運動到點C1,則點P運動的最短路程為(  )
A.5 B.
C.4 D.6
B [將三棱柱展開成如圖的圖形,讓點C1與ABB1A1在同一平面內(nèi),C1D⊥AB交A1B1
于Q,則C1Q⊥A1B1,∴A1Q=AD=,
兩點之間線段最短,故AC1即為所求的最短距離,
因為C1Q=A1C1×sin 60°=×=,所以C1D=+4=,AD=,
所以AC1===.]
3.如圖是由圓柱與圓錐組合而成的幾何體的三視圖,則該幾何體的表面積為________,體積為________.

28π 16π+π [由三視圖知該幾何體是圓錐與圓柱的組合體,設(shè)圓柱底面圓半徑為r,周長為c,圓錐母線長為l,圓柱高為h.由圖得r=2,c=2πr=4π,h=4,由勾股定理得:l==4,S表=πr2+ch+cl=4π+16π+8π=28π.V=V柱+V錐=16π+π.]
4.如圖,正三棱柱ABC-A1B1C1的底面邊長為2,側(cè)棱長為,D為BC的中點,則三棱錐A-B1DC1的體積為________.
1 [在正三棱柱ABC-A1B1C1中,
∵AD⊥BC,AD⊥BB1,BB1∩BC=B,∴AD⊥平面B1DC1.
∴VA-B1DC1=S△B1DC1·AD=××2××=1.]
5.已知一個圓臺的下底面半徑為3,高為2,當(dāng)圓臺的上底面半徑r′變化時,圓臺體積的變化范圍是________.
(6π,18π) [V圓臺=π(r2+rr′+r′2)h,0<r′<3.
當(dāng)上底面面積為0時,圓臺變?yōu)閳A錐,V圓錐=πr2h=6π;
當(dāng)r′=3時,圓臺變?yōu)閳A柱,V圓柱=πr2h=18π.
所以圓臺體積的變化范圍是.]
[扣要點——查缺補漏]
1.空間幾何體的表面積與體積
(1)求三棱錐的體積時,等體積轉(zhuǎn)化是常用的方法,轉(zhuǎn)化原則是其高易求,底面放在已知幾何體的某一面上,如T4.
(2)求不規(guī)則幾何體的體積,常用分割或補形的思想,將不規(guī)則幾何體轉(zhuǎn)化為規(guī)則幾何體以易于求解.
(3)已知幾何體的三視圖,可去判斷幾何體的形狀和各個度量,然后求解表面積和體積,如T3.
2.柱、錐、臺之間的關(guān)系

3.多面體與球
(1)設(shè)球的半徑為R,球的截面圓半徑為r,球心到球的截面的距離為d,則有r=.
(2)當(dāng)球內(nèi)切于正方體時,球的直徑等于正方體的棱長,當(dāng)球外接于長方體時,長方體的體對角線長等于球的直徑;當(dāng)球與正方體各棱都相切時,球的直徑等于正方體底面的對角線長.
(3)若正四面體的棱長為a,則正四面體的外接球半徑為a,內(nèi)切球半徑為a.



 空間幾何體的三視圖、展開圖、截面圖(5年2考)

[高考解讀] 重點考查考生的識圖能力和空間想象能力、考生對試題的研究必須經(jīng)歷從“識圖”、“想圖”到“構(gòu)圖”的過程,要通過觀察、分析、想象、判斷、計算的邏輯思維才能求解,考查了考生的直觀想象和邏輯推理的核心素養(yǎng).
(2018·全國卷Ⅰ)某圓柱的高為2,底面周長為16,其三視圖如圖.圓柱表面上的點M在正視圖上的對應(yīng)點為A,圓柱表面上的點N在左視圖上的對應(yīng)點為B,則在此圓柱側(cè)面上,從M到N的路徑中,最短路徑的長度為(  )

A.2    B.2    C.3    D.2
切入點:圓柱的三視圖.
關(guān)鍵點:正確還原圓柱體并將側(cè)面展開,找出M,N在側(cè)面展開圖中的位置.
B [設(shè)過點M的高與圓柱的下底面交于點O,將圓柱沿MO剪開,則M,N的位置如圖所示,連接MN,易知OM=2,ON=4,則從M到N的最短路徑為==2.]

[教師備選題]
1.(2018·北京高考)某四棱錐的三視圖如圖所示,在此四棱錐的側(cè)面中,直角三角形的個數(shù)為(  )

A.1    B.2    C.3    D.4
C [由三視圖得到空間幾何體,如圖所示,則PA⊥平面ABCD,平面ABCD為直角梯形,PA=AB=AD=2,BC=1,所以PA⊥AD,PA⊥AB,PA⊥BC.又BC⊥AB,AB∩PA=A,所以BC⊥平面PAB,所以BC⊥PB.在△PCD中,PD=2,PC=3,CD=,所以△PCD為銳角三角形.所以側(cè)面中的直角三角形為△PAB,△PAD,△PBC,共3個.
故選C.]
2.(2015·北京高考)某四棱錐的三視圖如圖所示,該四棱錐最長棱的棱長為(  )

A.1    B.    C.    D.2
C [根據(jù)三視圖,可知幾何體的直觀圖為如圖所示的四棱錐V-ABCD,其中VB⊥平面ABCD,且底面ABCD是邊長為1的正方形,VB=1.所以四棱錐中最長棱為VD.連接BD,易知BD=,在Rt△VBD中,VD==.]


1.由三視圖還原直觀圖需遵循以下3步
(1)看視圖明關(guān)系;
(2)分部分想整體;
(3)合起來定整體.
2.解決空間幾何體表面上兩點間的最短路徑問題的常用方法:把立體圖形展為平面圖形,利用兩點之間線段最短進行求解.

1.(由三視圖還原幾何體)某四棱錐的三視圖如圖所示,其側(cè)視圖是等腰直角三角形,俯視圖的輪廓是直角梯形,則該四棱錐的各側(cè)面面積的最大值為(  )

A.8    B.4    C.8    D.12
D [由三視圖可知該幾何體是一個底面為直角梯形,高為4的四棱錐,如圖,其中側(cè)棱PA⊥平面ABCD,PA=4,AB=4,BC=4,CD=6,所以AD=2,PD=6,PB=4,連接AC,則AC=4,所以PC=4,顯然在各側(cè)面面積中△PCD的面積最大,又PD=CD=6,所以PC邊上的高為=2,所以S△PCD=×4×2=12,故該四棱錐的各側(cè)面面積的最大值為12.故選D.]
2.(側(cè)面展開圖)如圖,一立在水平地面上的圓錐形物體的母線長為4 m,一只小蟲從圓錐的底面圓上的點P出發(fā),繞圓錐表面爬行一周后回到點P處.若該小蟲爬行的最短路程為4 m,則圓錐底面圓的半徑等于________m.
 [把圓錐側(cè)面沿過點P的母線展開成如圖所示的扇形,
由題意OP=4,PP′=4,則cos∠POP′==-,所以∠POP′=.
設(shè)底面圓的半徑為r,則2πr=×4,
所以r=.]
3.(截面問題)已知圓錐的底面直徑為,母線長為1,過圓錐的頂點,作圓錐的截面,則截面面積的最大值為________.
 [由于圓錐的底面直徑為,母線長為1,設(shè)圓錐軸截面的頂角為α,則cos α==-.
又α∈(0,π),∴α=.因此截面面積的最大值為×1×1×sin =.]

 空間幾何體的表面積和體積(5年18考)

[高考解讀] 空間幾何體的表面積和體積是每年的必考內(nèi)容,題型既有選擇題也有解答題,以往多與三視圖綜合考查,由于新課標對三視圖不作要求,對表面積和體積的考查也以單一考點的形式出現(xiàn)在高考試題中.
角度一:空間幾何體的表面積
1.(2018·全國卷Ⅰ)已知圓柱的上、下底面的中心分別為O1,O2,過直線O1O2的平面截該圓柱所得的截面是面積為8的正方形,則該圓柱的表面積為(  )
A.12π   B.12π   C.8π   D.10π
切入點:過直線O1O2的平面截該圓柱所得的軸截面是面積為8的正方形.
關(guān)鍵點:找出圓柱的底面半徑及母線的長.
B [因為過直線O1O2的平面截該圓柱所得的截面是面積為8的正方形,所以圓柱的高為2,底面圓的直徑為2,所以該圓柱的表面積為2×π×()2+2π××2=12π.]
2.(2016·全國卷Ⅲ)如圖所示,網(wǎng)格紙上小正方形的邊長為1,粗實線畫出的是某多面體的三視圖,則該多面體的表面積為(  )

A.18+36 B.54+18
C.90 D.81
切入點:多面體的三視圖.
關(guān)鍵點:正確還原幾何體.
B [由幾何體的三視圖可知,該幾何體是底面為正方形的斜四棱柱.
由題意可知該幾何體底面邊長為3,高為6,所以側(cè)棱長為=3.故該幾何體的表面積S=32×2+(3×6)×2+(3×3)×2=54+18.]
角度二:空間幾何體的體積
3.[一題多解](2017·全國卷Ⅱ)如圖,網(wǎng)格紙上小正方形的邊長為1,粗實線畫出的是某幾何體的三視圖,該幾何體由一平面將一圓柱截去一部分后所得,則該幾何體的體積為(  )

A.90π B.63π C.42π D.36π
切入點:三視圖.
關(guān)鍵點:割補法求體積.
B [法一(割補法):如圖所示,由幾何體的三視圖,可知該幾何體是一個圓柱被截去上面虛線部分所得.

將圓柱補全,并將圓柱體從點A處水平分成上下兩部分.由圖可知,該幾何體的體積等于下部分圓柱的體積加上上部分圓柱體積的,所以該幾何體的體積V=π×32×4+π×32×6×=63π.
故選B.
法二(估值法):由題意,知V圓柱<V幾何體<V圓柱.又V圓柱=π×32×10=90π,∴45π<V幾何體<90π.觀察選項可知只有63π符合.
故選B.]
4.(2019·全國卷Ⅲ)學(xué)生到工廠勞動實踐,利用3D打印技術(shù)制作模型.如圖,該模型為長方體ABCD-A1B1C1D1挖去四棱錐O-EFGH后所得的幾何體,其中O為長方體的中心,E,F(xiàn),G,H分別為所在棱的中點,AB=BC=6 cm,AA1=4 cm.3D打印所用原料密度為0.9 g/cm3.不考慮打印損耗,制作該模型所需原料的質(zhì)量為________g.
切入點:E、F、G、H分別為所在棱的中點,AB=BC=6 cm,AA1=4 cm.
關(guān)鍵點:正確求出四棱錐的體積.
118.8 [由題知挖去的四棱錐的底面是一個菱形,
對角線長分別為6 cm和4 cm,
故V挖去的四棱錐=××4×6×3=12(cm3).
又V長方體=6×6×4=144(cm3),
所以模型的體積為
V長方體-V挖去的四棱錐=144-12=132(cm3),
所以制作該模型所需原料的質(zhì)量為132×0.9=118.8(g).]
5.(2019·全國卷Ⅱ)如圖,長方體ABCD-A1B1C1D1的底面ABCD是正方形,點E在棱AA1上,BE⊥EC1.
(1)證明:BE⊥平面EB1C1;
(2)若AE=A1E,AB=3,求四棱錐E-BB1C1C的體積.
切入點:ABCD為正方形,BE⊥EC1.
關(guān)鍵點:①線面垂直判定定理的應(yīng)用;②正確求出四棱錐E-BB1C1C的高.
[解] (1)證明:由已知得B1C1⊥平面ABB1A1,BE?平面ABB1A1,故B1C1⊥BE.又BE⊥EC1,B1C1∩EC1=C1,
所以BE⊥平面EB1C1.
(2)由(1)知∠BEB1=90°.
由題設(shè)知Rt△ABE≌Rt△A1B1E,
所以∠AEB=∠A1EB1=45°,
故AE=AB=3,AA1=2AE=6.
如圖,作EF⊥BB1,垂足為F,則EF⊥平面BB1C1C,且EF=AB=3.
所以四棱錐E-BB1C1C的體積
V=×3×6×3=18.

[教師備選題]
1.(2015·全國卷Ⅱ)一個正方體被一個平面截去一部分后,剩余部分的三視圖如圖,則截去部分體積與剩余部分體積的比值為(  )
A.  B.
C. D.
D [由已知三視圖知該幾何體是由一個正方體截去了一個“大角”后剩余的部分,如圖所示,截去部分是一個三棱錐.設(shè)正方體的棱長為1,則三棱錐的體積為
V1=××1×1×1=,
剩余部分的體積V2=13-=.
所以==,故選D.]
2.(2017·全國卷Ⅱ)如圖,四棱錐P-ABCD中,側(cè)面PAD為等邊三角形且垂直于底面ABCD,AB=BC=AD,∠BAD=∠ABC=90°.
(1)證明:直線BC∥平面PAD;
(2)若△PCD的面積為2,求四棱錐P-ABCD的體積.
[解] (1)證明:在平面ABCD內(nèi),因為∠BAD=∠ABC=90°,所以BC∥AD.又BC?平面PAD,AD?平面PAD,故BC∥平面PAD.
(2)如圖,取AD的中點M,連接PM,CM.由AB=BC=AD及BC∥AD,∠ABC=90°得四邊形ABCM為正方形,則CM⊥AD.
因為側(cè)面PAD為等邊三角形且垂直于底面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,所以PM⊥AD,PM⊥底面ABCD.
因為CM?底面ABCD,所以PM⊥CM.
設(shè)BC=x,則CM=x,CD=x,PM=x,PC=PD=2x.
如圖,取CD的中點N,連接PN,則PN⊥CD,
所以PN=x.
因為△PCD的面積為2,所以×x×x=2.
解得x=-2(舍去)或x=2.
于是AB=BC=2,AD=4,PM=2.
所以四棱錐P-ABCD的體積V=××2=4.


1.求幾何體的表面積的方法
(1)求表面積問題的思路是將立體幾何問題轉(zhuǎn)化為平面圖形問題,即空間圖形平面化,這是解決立體幾何的主要出發(fā)點.
(2)求不規(guī)則幾何體的表面積時,通常將所給幾何體分割成柱、錐、臺體,先求這些柱、錐、臺體的表面積,再通過求和或作差求得所給幾何體的表面積.
2.求空間幾何體體積的常用方法
公式法
直接根據(jù)常見柱、錐、臺等規(guī)則幾何體的體積公式計算
等積法
根據(jù)體積計算公式,通過轉(zhuǎn)換空間幾何體的底面和高使得體積計算更容易,或是求出一些體積比等
割補法
把不能直接計算體積的空間幾何體進行適當(dāng)?shù)姆指罨蜓a形,轉(zhuǎn)化為可計算體積的幾何體


1.(組合體的表面積)某幾何體的三視圖如圖所示,其中側(cè)視圖的下半部分曲線為半圓弧,則該幾何體的表面積為________.

5π+16+2 [由三視圖可知該幾何體是一個正三棱柱和一個半圓柱的組合體,三棱柱的兩個側(cè)面面積之和為2×4×2=16,兩個底面面積之和為2××2×=2;半圓柱的側(cè)面積為π×4=4π,兩個底面面積之和為2××π×12=π,所以幾何體的表面積為5π+16+2.]
2.(等體積轉(zhuǎn)換)如圖,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,已知AB=AA1=3,點P在棱CC1上,則三棱錐P-ABA1的體積為________.

 [由題意,得V三棱錐P-ABA1=V三棱錐C-ABA1=V三棱錐A1-ABC=S△ABC·AA1=××32×3=.]
 球與幾何體的切、接問題(5年5考)

[高考解讀] 球與幾何體的切、接問題是高考的??伎键c,難度偏高,主要考查考生將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題的能力,體現(xiàn)了考生的空間想象邏輯推理及數(shù)學(xué)運算的核心素養(yǎng).
角度一:球與多面體的切、接問題
1.(2018·全國卷Ⅲ)設(shè)A,B,C,D是同一個半徑為4的球的球面上四點,△ABC為等邊三角形且其面積為9,則三棱錐D-ABC體積的最大值為(  )
A.12    B.18    C.24    D.54
切入點:①△ABC為等邊三角形;
②S△ABC=9.
關(guān)鍵點:求出△ABC的邊長及點D到平面ABC的距離的最大值.
B [如圖,E是AC中點,M是△ABC的重心,O為球心,連接BE,OM,OD,BO.因為S△ABC=AB2=9,所以AB=6,BM=BE==2.易知OM⊥平面ABC,所以在Rt△OBM中,OM==2,所以當(dāng)D,O,M三點共線且DM=OD+OM時,三棱錐D-ABC的體積取得最大值,且最大值Vmax=S△ABC×(4+OM)=×9×6=18.故選B.
]
2.(2016·全國卷Ⅲ)在封閉的直三棱柱ABC-A1B1C1內(nèi)有一個體積為V的球,若AB⊥BC,AB=6,BC=8,AA1=3,則V的最大值是(  )
A.4π B. C.6π D.
切入點:①球在直三棱柱ABC-A1B1C1的內(nèi)部;
②AB⊥BC,AB=6,BC=8,AA1=3.
關(guān)鍵點:求出最大球的半徑.
B [設(shè)球的半徑為R,∵AB⊥BC,AB=6,BC=8,∴AC=10.
當(dāng)球與直三棱柱的三個側(cè)面相切時,有(6+8+10)×R=×6×8,此時R=2;
當(dāng)球與直三棱柱兩底面相切時,有2R=3,此時R=.
所以在封閉的直三棱柱中,球的最大半徑只能為,故最大體積V=π3=.]
角度二:球與旋轉(zhuǎn)體的切、接問題
3.(2017·全國卷Ⅲ)已知圓柱的高為1,它的兩個底面的圓周在直徑為2的同一個球的球面上,則該圓柱的體積為(  )
A.π B. C. D.
切入點:圓柱的兩個底面在直徑為2的同一個球的球面上.
關(guān)鍵點:確定圓柱底面圓的半徑.
B [設(shè)圓柱的底面半徑為r,球的半徑為R,且R=1,由圓柱兩個底面的圓周在同一個球的球面上可知,r,R及圓柱的高的一半構(gòu)成直角三角形.
∴r==.
∴圓柱的體積為V=πr2h=π×1=.
故選B.]
4.(2017·江蘇高考)如圖,在圓柱O1O2內(nèi)有一個球O,該球與圓柱的上、下底面及母線均相切,記圓柱O1O2的體積為V1,球O的體積為V2,則的值是________.
切入點:球與圓柱相切.
關(guān)鍵點:確定內(nèi)切球的半徑.
 [設(shè)球O的半徑為R,
∵球O與圓柱O1O2的上、下底面及母線均相切,
∴圓柱O1O2的高為2R,底面半徑為R.
∴==.]
[教師備選題]
1.(2015·全國卷Ⅱ)已知A,B是球O的球面上兩點,∠AOB=90°,C為該球面上的動點.若三棱錐O-ABC體積的最大值為36,則球O的表面積為(  )
A.36π   B.64π   C.144π   D.256π
C [如圖,設(shè)球的半徑為R,∵∠AOB=90°,∴S△AOB=R2.
∵VO-ABC=VC-AOB,而△AOB面積為定值,
∴當(dāng)點C到平面AOB的距離最大時,VO-ABC最大,
∴當(dāng)C為與球的大圓面AOB垂直的直徑的端點時,體積VO-ABC最大為×R2×R=36,
∴R=6,∴球O的表面積為4πR2=4π×62=144π.故選C.]
2.(2017·全國卷Ⅰ)已知三棱錐S-ABC的所有頂點都在球O的球面上,SC是球O的直徑.若平面SCA⊥平面SCB,SA=AC,SB=BC,三棱錐S-ABC的體積為9,則球O的表面積為________.
C [如圖,連接OA,OB.
由SA=AC,SB=BC,SC為球O的直徑,知OA⊥SC,OB⊥SC.
由平面SCA⊥平面SCB,平面SCA∩平面SCB=SC,OA⊥SC,知OA⊥平面SCB.
設(shè)球O的半徑為r,則
OA=OB=r,SC=2r,
∴三棱錐S-ABC的體積
V=×·OA=,
即=9,∴r=3,∴S球表=4πr2=36π.]


解決與球有關(guān)的切、接問題的策略
(1)“接”的處理:
①構(gòu)造正(長)方體,轉(zhuǎn)化為正(長)方體的外接球問題.
②空間問題平面化,把平面問題轉(zhuǎn)化到直角三角形中,作出適當(dāng)截面(過球心,接點等).
③利用球心與截面圓心的連線垂直于截面定球心所在直線.
(2)“切”的處理:
①體積分割法求內(nèi)切球半徑.
②作出合適的截面(過球心,切點等),在平面上求解,
③多球相切問題,連接各球球心,轉(zhuǎn)化為處理多面體問題.

1.(外接球)已知三棱錐P-ABC的所有頂點都在球O的球面上,PC是球O的直徑.若平面PCA⊥平面PCB,PA=AC,PB=BC,三棱錐P-ABC的體積為a,則球O的體積為(  )
A.2πa B.4πa C.πa D.πa
B [設(shè)球O的半徑為R,因為PC為球O的直徑,PA=AC,PB=BC,所以△PAC,△PBC均為等腰直角三角形,點O為PC的中點,連接AO,OB(圖略),所以AO⊥PC,BO⊥PC,因為平面PCA⊥平面PCB,平面PCA∩平面PCB=PC,所以AO⊥平面PCB,所以V三棱錐P-ABC=·S△PBC·AO=××AO=××R=R3=a,所以球O的體積V=πR3=4πa.故選B.]
2.(內(nèi)切球)四棱錐P-ABCD的底面ABCD是邊長為6的正方形,且PA=PB=PC=PD,若一個半徑為1的球與此四棱錐所有面都相切,則該四棱錐的高是 (  )
A.6 B.5 C. D.
D [過點P作PH⊥平面ABCD于點H.由題意知,四棱錐P-ABCD是正四棱錐,內(nèi)切球的球心O應(yīng)在四棱錐的高PH上.過正四棱錐的高作組合體的軸截面如圖,其中PE,PF是斜高,M為球面與側(cè)面的一個切點.設(shè)PH=h,易知Rt△PMO∽Rt△PHF,所以=,即=,解得h=(h=0舍去),故選D.]
3.(折疊問題)一張半徑為1+的圓形包裝紙,按照如圖所示的實線裁剪,并按虛線折疊為各棱長都相等的四棱錐,折疊所成的四棱錐外接球的表面積為________.

8π [如圖,連接OE,與AD交于I,
設(shè)正方形ABCD的邊長為2x,則EI=x,
則x+x=1+,即x=1.

設(shè)外接球的球心為Q,半徑為R,可得OC=,OP==,R2=(-R)2+()2.
∴R=,∴該四棱錐的外接球的表面積S=4πR2=8π.
故答案為8π.]

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