高中数学立体几何图形的外接球问题通常可以归结为两类图形,一类是圆柱模型;一类是圆锥模型。
图1
如果一个几何体内接一个圆柱,那么就可以使用圆柱模型。
今天我们先说说哪些图形可以使用圆柱模型:
一、圆柱一个底面半径为r,高为h的圆柱,则它的外接球半径为:
图2
二、正棱柱1、推导过程
如果我们对圆柱上下底面对应位置处,取相同数量的点,比如都取三个点,如图所示:
图3
由此可得直三棱柱的外接球其实就是这个圆柱的外接球,所以说直三棱柱的外接球求半径符合圆柱模型(不是所有超过四的直棱柱都有外接球).在这里棱柱的高就是公式中的h,而棱柱底面外接圆的半径则是公式中的r.
斜棱柱没有外接球.
2、正三棱柱、正四棱柱或正六棱柱的结论
如果在圆柱上下底面对应位置处,取间隔相等的三个点,那么这个棱柱是正三棱柱;取间隔相等的四个点,那么这个棱柱是正四棱柱;取间隔相等的六个点,那么这个棱柱是正六棱柱。正棱柱都有外接球。
这里给出正三棱柱、正四棱柱或正六棱柱的结论:
图4
图5
3、长方体与两类墙角三棱锥的结论
如果在圆柱上下底面对应位置处,取的四个点构成长方形,那么这个棱柱是长方体。
图6
基于长方体,可以发现两类特殊的三棱锥,我们称之为“墙角三棱锥”,这两类三棱锥的外接球半径等于相关长方体外接球的半径.如图,三棱锥P-ABC:
图7
图8
4、正方体与球内接正四面体的结论
如果3中的长方体的长宽高都相等,可以得到正方体的结论.
图9
基于正方体,可以得到正四面体的结论.
图10
三、基于图3得到的两种特殊椎体1、一根侧棱⊥底面的椎体
如果把图3中的三棱柱上面的B1C1去掉,我们会得到一个三棱锥,如图:
图11
这个三棱锥的特点是AA1⊥底面ABC,符合第一类墙角三棱锥:竖直棱AA1就是公式中的h,底面ABC的外接圆半径就是公式中的r.
2、一个侧面⊥矩形底面的四棱锥
如果图3中的三棱柱ABC-A1B1C1只去掉C1这个点,会得到什么呢?
图12
这就是将一个四棱锥放倒了!它的特点是:底面 ABC⊥侧面AA1B1B,出题的时候则不会这么仁慈,就会像上一幅图那样,有一个侧面⊥矩形底面的四棱锥!
图13
结论
本文参考:
解题套路很深的梁老师:「高考数学~外接球套路「全」」
高考冲刺技巧の模法笔记:秒杀外接球 圆锥外接球模型
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