2021版高考数学一轮复习 第七章 立体几何 7.1 空间几何体的结构及其表面积、体积教学案 苏教版.doc

第七章 立体几何 全国卷五年考情图解高考命题规律把握1.考查形式高考在本章一般命制2道小题、1道解答题，分值约占22分.2.考查内容(1)小题主要考查几何体体积与表面积计算，此类问题属于中档题目；对于球与棱柱、棱锥的切接问题，知识点较整合，难度稍大.(2)解答题一般位于第18题或第19题的位置，常设计两问：第(1)问重点考查线面位置关系的证明；第(2)问重点考查空间角，尤其是二面角、线面角的计算属于中档题目.3.备考策略从2019年高考试题可以看出，高考对对空间几何体的展开、平面图形的折叠、解题中的补体等传统几何思想有所加强.第一节空间几何体的结构及其表面积、体积最新考纲1.认识柱、锥、台、球及其简单组合体的结构特征，并能够运用这些特征描述现实生活中简单物体的结构.2.会用斜二测画法画出常见几何体：长方体、球、圆柱、圆锥、棱柱等的直观图.3.了解球、棱柱、棱锥、棱台、圆柱、圆锥、圆台的表面积与体积的计算公式1多面体的结构特征名称棱柱棱锥棱台图形底面互相平行且相等多边形互相平行侧棱平行且相等相交于一点，但不一定相等延长线交于一点侧面形状平行四边形三角形梯形2.旋转体的形成几何体旋转图形旋转轴圆柱矩形任一边所在的直线圆锥直角三角形任一直角边所在的直线几何体旋转图形旋转轴圆台直角梯形垂直于底边的腰所在的直线球半圆直径所在的直线3.直观图三视图画法规则：长对正、高平齐、宽相等直观图斜二测画法：(1)原图形中x轴、y轴、z轴两两垂直，直观图中x轴、y轴的夹角为45(或135)，z轴与x轴和y轴所在平面垂直.(2)原图形中平行于坐标轴的线段在直观图中仍平行于坐标轴，平行于x轴和z轴的线段在直观图中保持原长度不变，平行于y轴的线段在直观图中长度为原来的一半.4.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2rls圆锥侧rls圆台侧(r1r2)l5.柱体、锥体、台体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vsh锥体(棱锥和圆锥)s表面积s侧s底vsh台体(棱台和圆台)s表面积s侧s上s下v(s上s下)h球s4r2vr31按照斜二测画法得到的平面图形的直观图，其面积与原图形的面积的关系：s直观图s原图形，s原图形2s直观图2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，外接球半径ra.(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ha，内切球半径rha，外接球半径rha.一、思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)有两个面平行，其余各面都是平行四边形的几何体是棱柱()(2)有一个面是多边形，其余各面都是三角形的几何体是棱锥()(3)菱形的直观图仍是菱形()(4)每个面都是正三角形的多面体一定是正四面体()答案(1)(2)(3)(4)二、教材改编1将一个等腰梯形绕它的较长的底边所在的直线旋转一周，所得的几何体包括()a一个圆台、两个圆锥b两个圆台、一个圆柱c两个圆柱、一个圆台d一个圆柱、两个圆锥d从较短的底边的端点向另一底边作垂线，两条垂线把等腰梯形分成了两个直角三角形，一个矩形，所以一个等腰梯形绕它的较长的底边所在直线旋转一周形成的是由一个圆柱，两个圆锥所组成的几何体，如图：2体积为8的正方体的顶点都在同一球面上，则该球的表面积为()a12b.c8 d4a由题意可知正方体的棱长为2，其体对角线为2即为球的直径，所以球的表面积为4r2(2r)212，故选a.3已知圆锥的表面积等于12 cm2，其侧面展开图是一个半圆，则底面圆的半径为()a1 cm b2 cmc3 cm d. cmbs表r2rlr2r2r3r212，r24，r2(cm)4一个圆台上、下底面的半径分别为3 cm和8 cm，若两底面圆心的连线长为12 cm，则这个圆台的母线长为 cm.13如图，过点a作acob，交ob于点c.在rtabc中，ac12 cm，bc835(cm)所以ab13(cm)考点1空间几何体的直观图1.直观图画法的规则：斜二测画法2. 原图与直观图中的“三变”与“三不变”(1)“三变”(2)“三不变” 已知正三角形abc的边长为a，那么abc的平面直观图abc的面积为()a.a2 b.a2 c.a2 d.a2d法一：如图所示的实际图形和直观图，由图可知，ababa，ococa，在图中作cdab于d，则cdoca，所以sabcabcdaaa2.法二：sabcaasin 60a2，又s直观图s原图a2a2.故选d.1.(2019杭州模拟)在等腰梯形abcd中，上底cd1，腰adcb，下底ab3，以下底所在直线为x轴，则由斜二测画法画出的直观图abcd的面积为 画出等腰梯形abcd的实际图形及直观图abcd如图所示，因为oe1，所以oe，ef.所以直观图abcd的面积为s(13).2如图，矩形oabc是水平放置的一个平面图形的直观图，其中oa6 cm，oc2 cm，则原图形是() a正方形 b矩形c菱形 d一般的平行四边形c如图，在原图形oabc中，应有od2od224cm，cdcd2 cm.oc6 cm，oaoc，故四边形oabc是菱形故选c.(1)概念辨析类的问题常借助反例求解(2)紧扣结构特征是判断空间几何体的结构特征正误的关键，依据条件构建几何模型，在条件不变的情况下，变换模型中的线面关系或增加线、面等基本元素，然后依据题意判定考点2空间几何体的表面积与体积空间几何体的表面积 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(1)若正四棱锥的底面边长和高都为2，则其表面积为 (2)圆台的上、下底面半径分别是10 cm和20 cm，它的侧面展开图的扇环的圆心角是180，那么圆台的表面积为 cm2 (结果中保留)(1)44(2)1 100(1)因为四棱锥的侧棱长都相等，底面是正方形，所以该四棱锥为正四棱锥，如图由题意知底面正方形的边长为2，正四棱锥的高为2，则正四棱锥的斜高pe.所以该四棱锥的侧面积s424，s表22444.(2)如图所示，设圆台的上底周长为c，因为扇环的圆心角是180，所以csa.又c21020，所以sa20(cm)同理sb40(cm)所以absbsa20(cm)s表s侧s上底s下底(r1r2)abrr(1020)201022021 100(cm2)故圆台的表面积为1 100 cm2.本例1是有关多面体侧面积的问题，关键是找到其特征几何图形，如棱柱中的矩形、棱台中的直角梯形、棱锥中的直角三角形，它们是联系高与斜高、边长等几何元素间的桥梁，从而架起求侧面积公式中的未知量与条件中已知几何元素间的联系；本例2是圆台的侧面积问题，采用了还锥为台的思想空间几何体的体积求空间几何体的体积的常用方法(1)直接法：对于规则几何体，直接利用公式计算即可若已知三视图求体积，应注意三视图中的垂直关系在几何体中的位置，确定几何体中的线面垂直等关系，进而利用公式求解(2)等积法：利用三棱锥的“等积性”可以把任一个面作为三棱锥的底面(3)割补法：当一个几何体的形状不规则时，常通过分割或者补形的手段将此几何体变为一个或几个规则的、体积易求的几何体，然后再计算经常考虑将三棱锥还原为三棱柱或长方体，将三棱柱还原为平行六面体，将台体还原为锥体 (1)如图所示，正三棱柱abca1b1c1的底面边长为2，侧棱长为，d为bc中点，则三棱锥ab1dc1的体积为()a3 b.c1 d.(2)(2019江苏高考)如图，长方体abcda1b1c1d1的体积是120，e为cc1的中点，则三棱锥ebcd的体积是 (3)如图，正方体abcda1b1c1d1的棱长为1，e，f分别为线段aa1，b1c上的点，则三棱锥d1edf的体积为 (4)如图所示，已知多面体abcdefg中，ab，ac，ad两两互相垂直，平面abc平面defg，平面bef平面adgc，abaddg2，acef1，则该多面体的体积为 (1)c(2)10(3)(4)4(1)(直接法)如题图，在正abc中，d为bc中点，则有adab，又平面bb1c1c平面abc，平面bb1c1c平面abcbc，adbc，ad平面abc，由面面垂直的性质定理可得ad平面bb1c1c，即ad为三棱锥ab1dc1的底面b1dc1上的高，vab1dc1sb1dc1ad21.(2)因为长方体abcda1b1c1d1的体积为120，所以abbccc1120，因为e为cc1的中点，所以cecc1，由长方体的性质知cc1底面abcd，所以ce是三棱锥ebcd的底面bcd上的高，所以三棱锥ebcd的体积vabbcceabbccc112010.(3)(等积法)三棱锥d1edf的体积即为三棱锥fdd1e的体积因为e，f分别为aa1，b1c上的点，所以在正方体abcda1b1c1d1中，edd1的面积为定值，f到平面aa1d1d的距离为定值1，所以vd1edfvfdd1e1.(4)法一：(分割法)因为几何体有两对相对面互相平行，如图所示，过点c作chdg于h，连接eh，即把多面体分割成一个直三棱柱dehabc和一个斜三棱柱befchg.由题意，知v三棱柱dehabcsdehad22，v三棱柱befchgsbefde22.故所求几何体的体积为v多面体abcdefg224.法二：(补形法)因为几何体有两对相对面互相平行，如图所示，将多面体补成棱长为2的正方体，显然所求多面体的体积即该正方体体积的一半又正方体的体积v正方体abhidekg238，故所求几何体的体积为v多面体abcdefg84.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；(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；(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如图，直三棱柱abca1b1c1的各条棱长均为2，d为棱b1c1上任意一点，则三棱锥da1bc的体积是 vda1bcvb1a1bcva1b1bcsb1bc.考点3与球有关的切、接问题与球有关的切、接问题的解法(1)旋转体的外接球：常用的解题方法是过球心及接、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)多面体的外接球：常用的解题方法是将多面体还原到正方体和长方体中再去求解若球面上四点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，利用2r求r.一条侧棱垂直底面的三棱锥问题：可补形成直三棱柱先借助几何体的几何特征确定球心位置，然后把半径放在直角三角形中求解 (1)已知一个圆锥底面半径为1，母线长为3，则该圆锥内切球的表面积为()a b. c2 d3(2)(2019福建十校联考)已知三棱锥pabc的三条侧棱两两互相垂直，且ab，bc，ac2，则此三棱锥的外接球的体积为()a. b. c. d.(3)已知直三棱柱abca1b1c1的各顶点都在以o为球心的球面上，且bac，aa1bc2，则球o的体积为()a4 b8 c12 d20(1)c(2)b(3)a(1)依题意，作出圆锥与球的轴截面，如图所示，设球的半径为r，易知轴截面三角形边ab上的高为2，因此，解得 r，所以圆锥内切球的表面积为422，故选c.(2)ab，bc，ac2，pa1，pc，pb2.以pa，pb，pc为过同一顶点的三条棱，作长方体如图所示，则长方体的外接球同时也是三棱锥pabc的外接球长方体的对角线长为2，球的直径为2，半径r，因此，三棱锥pabc外接球的体积是r3()3.故选b.(3)在底面abc中，由正弦定理得底面abc所在的截面圆的半径为r，则直三棱柱abca1b1c1的外接球的半径为r，则直三棱柱abca1b1c1的外接球的体积为r34.故选a.母题探究1.若将本例(3)的条件“bac，aa1bc2”换为“ab3，ac4，abac，aa112”，则球o的半径为 如图所示，由球心作平面abc的垂线，则垂足为bc的中点m.又ambc，omaa16，所以球o的半径roa .2若将本例(3)的条件改为“正四面体的各顶点都在以o为球心的球面上”，则此正四面体的表面积s1与其内切球的表面积s2的比值为 正四面体棱长为a，则正四面体表面积为s14a2a2，其内切球半径r为正四面体高的，即raa，因此内切球表面积为s24r2，则.3若将本例(3)的条件改为“侧棱和底面边长都是3的正四棱锥的各顶点都在以o为球心的球面上”，则其外接球的半径为 3依题意，得该正四棱锥底面对角线的长为36，高为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.通过本例(3)及母题探究训练，我们可以看出构造法、补形法等是处理“外接”问题的主要方法，其关键是找到球心，借助勾股定理求球的半径(1)锥体的外接球问题，解决这类问题的关键是抓住外接球的特点，即球心到各个顶点的距离等于球的半径(2)柱体的外接球问题，其解题关键在于确定球心在多面体中的位置，找到球的半径或直径与多面体相关元素之间的关系，结合原有多面体的特性求出球的半径，然后再利用球的表面积和体积公式进行正确计算1.(2018全国卷)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9，则三棱锥dabc体积的最大值为()a12 b18c24 d54b由等边abc的面积为9，可得ab29，所以ab6，所以等边abc的外接圆的半径为rab2.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d2.所以三棱锥dabc高的最大值为246，所以三棱锥dabc体积的最大值为9618.2(2019南宁模拟)已知三棱锥pabc中，abc为等边三角形，papbpc3，papb，则三棱锥pabc的外接球的体积为()a. b.c27 d27b三棱锥pabc中，abc为等边三角形，papbpc3，pabpbcpac. papb，papc，pcpb.以pa，pb，pc为过同一顶点的三条棱作正方体(如图所示)，则正方体的外接球同时也是三棱锥pabc的外接球正方体的体对角线长为3，其外接球半径r.因此三棱锥pabc的外接球的体积v.课外素养提升直观想象巧解简单几何体的外接球与内切球问题简单几何体外接球与内切球问题是立体几何中的难点，也是历年高考重要的考点，几乎每年都要考查，重在考查考生的直观想象能力和逻辑推理能力此类问题实质是解决球的半径长或确定球心o的位置问题，其中球心的确定是关键下面从六个方面分类阐述该类问题的求解策略：利用长方体的体对角线探索外接球半径【例1】(2019东北三省四市模拟)已知边长为2的等边三角形abc，d为bc的中点，沿ad进行折叠，使折叠后的bdc，则过a，b，c，d四点的球的表面积为()a3b4c5d6c连接bc(图略)，由题知几何体abcd为三棱锥，bdcd1，ad，bdad，cdad，bdcd，将折叠后的图形补成一个长、宽、高分别是，1,1的长方体，其体对角线长为，故该三棱锥外接球的半径是，其表面积为5.评析若几何体存在三条两两垂直的线段或者三条线有两个垂直，可构造墙角模型(如下图)，直接用公式(2r)2a2b2c2求出r.【素养提升练习】已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4，体积为16，则这个球的表面积是()a16 b20 c24 d32c设正四棱柱的底面边长为a，高为h，球半径为r，则正四棱柱的体积为va2h16，a2,4r2a2a2h2441624，所以球的表面积为s24.利用长方体的面对角线探索外接球半径【例2】三棱锥中sabc，sabc，sbac，scab.则三棱锥的外接球的表面积为 14如图，在长方体中，设aea，beb，cec.则scab，sabc，sbac.从而a2b2c214(2r)2，可得s4r214.故所求三棱锥的外接球的表面积为14.评析三棱锥的相对棱相等，探寻球心无从着手，注意到长方体的相对面的面对角线相等，可在长方体中构造三棱锥，从而巧妙探索外接球半径【素养提升练习】(2019全国卷)已知三棱锥pabc的四个顶点在球o的球面上，papbpc，abc是边长为2的正三角形，e，f分别是pa，ab的中点，cef90， 则球o的体积为()a8 b4 c2 d.d因为点e，f分别为pa，ab的中点，所以efpb，因为cef90，所以efce，所以pbce.取ac的中点d，连接bd，pd，易证ac平面bdp，所以pbac，又accec，ac，ce平面pac，所以pb平面pac，所以pbpa，pbpc，因为papbpc，abc为正三角形，所以papc，即pa，pb，pc两两垂直，将三棱锥pabc放在正方体中因为ab2，所以该正方体的棱长为，所以该正方体的体对角线长为，所以三棱锥pabc的外接球的半径r，所以球o的体积vr3，故选d.利用底面三角形与侧面三角形的外心探索球心【例3】平面四边形abcd中，abadcd1，bd，bdcd.将其沿对角线bd折成四面体abcd，使平面abd平面bcd.若四面体abcd的顶点在同一球面上，则该球的体积为()a. b3 c. d2a如图，设bd，bc的中点分别为e，f.因点f为底面直角bcd的外心，知三棱锥abcd的外接球球心必在过点f且与平面bcd垂直的直线l1上又点e为底面直角abd的外心，知外接球球心必在过点e且与平面abd垂直的直线l2上因而球心为l1与l2的交点又fecd，cdbd知fe平面abd.从而可知球心为点f.又abad1，cd1知bd，球半径rfd.故v.评析三棱锥侧面与底面垂直时，可紧扣球心与底面三角形外心连线垂直于底面这一性质，利用底面与侧面的外心，巧探外接球球心，妙求半径【素养提升练习】(2019广州模拟)三棱锥pabc中，平面pac平面abc，abac，papcac2，ab4，则三棱锥pabc的外接球的表面积为()a23 b. c64 d.d如图，设o为正pac的中心，d为rtabc斜边的中点，h为ac中点由平面pac平面abc.则oh平面abc.作oohd，odoh，则交点o为三棱锥外接球的球心，连接op，又opph2，oodhab2.r2op2op2oo24.故几何体外接球的表面积s4r2.利用直棱柱上下底面外接圆圆心的连线确定球心【例4】一个正六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直于底面，已知该六棱柱的顶点都在同一个球面上，且该六棱柱的体积为，底面周长为3，则这个球的体积为 设正六棱柱底面边长为a，正六棱柱的高为h，底面外接圆的半径为r，则a，底面积为s6，v柱shh，h，r21，r1，球的体积为v.评析直棱柱的外接球、圆柱的外接球模型如图：其外接球球心就是上下底面外接圆圆心连线的中点【素养提升练习】(2017全国卷)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 b. c. d.b设圆柱的底面半径为r，球的半径为r，且r1，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r.圆柱的体积为vr2h1.故选b.锥体的内切球问题(1)题设：如图，三棱锥pabc是正三棱锥，求其内切球的半径图第一步：先画出内切球的截面图，e，h分别是两个三角形的外心；第二步：求dhcd，pophr，pd是侧面abp的高；第三步：由poepdh，建立等式：，解出r. (2)题设：如图，四棱锥pabc是正四棱锥，求其内切球的半径图第一步：先画出内切球的截面图，p，o，h三点共线；第二步：求fhbc，pophr，pf是侧面pcd的高；第三步：由pogpfh，建立等式：，解出r.(3)题设：三棱锥pabc是任意三棱锥，求其的内切球半径方法：等体积法，三棱锥pabc体积等于