立體幾何中錐體的內切球問題專項練習

2020-12-23 曹老師的高中數學課

相比於幾何體的外接球,內切球問題不是高考中的常考內容,和外接球相比,內切球問題的出題類型較少,技巧和難度也相對較低,在柱體中內切球的相關題目較為簡單,因此本次內容只考慮在錐體中內切球問題。

處理錐體中內切球問題時,我們常用轉化法,利用錐體的體積和面積的比值來求半徑,即R=3V/S,相類比,在三角形中內切圓的半徑r=2s/a+b+c,這兩個公式是處理內切球問題中最常用的兩個,內切球問題其實就是錐體體積和表面積問題,處理時依舊可轉化為平面幾何中長度的求法,由於此類問題較少,今選取8道相關的題目予以分享。

表面積已知,只需求出體積即可,加之知道底面積,只需求出三稜錐的高PH,因為H點為底面三角形的內心,因此從H點向三邊作垂線,如上圖所示,因為HD為底面三角形的內切圓直徑,根據r=2s/a+b+c,需要求出三邊邊長,求出邊長之後再利用條件中已知的側面積,即可求出斜高。

上述過程是最常見的步驟,利用轉化法求得內切球的半徑,若類似於外接球,直接找到內切球的球心,構造三角形,利用三角形邊和角的關係直接求出外接球的半徑,H為內心,則內切球球心肯定在高PH上,本題目能很容易判斷出三個二面角相等,只需求出側面與底面的二面角,利用角度和底面內切圓的半徑即可求出內切球的半徑,這種做法有局限性,假如頂點在底面上的投影不是內心的話,這種題目就做不了了。

錐體的內切球問題常見於規則的錐體中,例如正三稜錐,正四面體,正四稜錐,之前給出過在正四面體中的一些常見結論,雖說直接使用結論的題目在高考中幾乎不存在,但利用一些常用結論一定程度上能簡化很大的計算量,與正四面體有關的常用結論如下:

正四面體稜長和底面邊長的長度不確定,但根據體積能找到邊長和側稜長的的關係,利用這種做法也能求出內切球體積的最大值,換種思路,類似於第一題的第二種做法,R與r以及側面與底面所形成的二面角θ有關,設出底面邊長a,用a和θ表示出體積,再用體積等式去掉變量a,轉化為θ的函數即可求出最值。

根據內切球的表面積可得到正四稜錐體積和表面積的轉化關係,設出底面邊長和高,利用已知的球半徑和三角形相似找到a與h的轉化關係,求出體積的最小值即可求出面積的最小值。

底面是正方形,且頂點在底面的投影是底面正方形的中心,則四稜錐為正四稜錐,內切球外接球的的球心均在其高線上,這是解題的關鍵,利用異面直線夾角求出側高,進而求出正四稜錐的高,構造三角形即可求出外接球的半徑。

總體來說,內切球問題的解法相對單一,較難的題目例如第1題,在知道頂點在底面上的投影為底面三角形的內心後就基本上知道怎麼去解了,高中階段解內切球問題時所要求的的錐體很特殊,這就註定了在高考中不會很常見,解題用轉化法變成錐體中常見數值的求法,因此在文科高考中有可能出現,以後再積累一些,積累夠了再分享出來。

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