球的内切问题

球作为立体几何中重要的旋转体之一,成为考查的重点,基本属于必考题目.而且球相关的特殊距离,即球面距离是一个备考的重点,要熟练掌握基本的解题技巧.还有球的截面的性质的运用,特别是其它几何体的内切球与外接球类组合体问题,更应特别加以关注的.题目一般属于中档难度,往往单独成题,或者在解答题中以小问的形式出现.

球的内切问题

类型一 球的内切问题

使用情景:有关球的内切问题
解题步骤:

第一步 首先画出球及它的内切圆柱、圆锥等几何体,它们公共的轴截面;
第二步 然后寻找几何体与几何体之间元素的关系
第三步 得出结论.
【例】.如图1所示,在棱长为1的正方体内有两个球相外切且又分别与正方体内切.

(1)求两球半径之和;

(2)球的半径为多少时,两球体积之和最小.

【解析】


(1)如图2,球心O_1O_2在上,过O_1O_2分别作ADBC的垂线交于EF

则由AB=1AC=\sqrt{3}AO_1=\sqrt{3}rCO_2=\sqrt{3}R

所以r+R+\sqrt{3}(r+R)=\sqrt{3}

所以R+r=\dfrac{\sqrt{3}}{\sqrt{3}+1}=\dfrac{3-\sqrt{3}}{2}

(2)设两球体积之和为V

V=\dfrac{4}{3}\pi(R^3+r^3)

=\dfrac{4}{3}\pi(r+R)(R^2-Rr+r^2)

=\dfrac{4}{3}\pi\dfrac{3-\sqrt{3}}{2}[(R+r)^2-3rR]

=\dfrac{4}{3}\pi\dfrac{3-\sqrt{3}}{2}[(\dfrac{3-\sqrt{3}}{2})^2-3R(\dfrac{3-\sqrt{3}}{2}-R)]

=\dfrac{4}{3}\pi\dfrac{3-\sqrt{3}}{2}[3R^2-\dfrac{3(3-\sqrt{3})}{2}R-(\dfrac{3-\sqrt{3}}{2})^2]

R=\dfrac{3-\sqrt{3}}{4}时,V有最小值.

所以,当R=r=\dfrac{3-\sqrt{3}}{4}时,体积之和有最小值.

【总结】此题的关键在于作截面,一个球在正方体内,大家一般知道作对角面,而两个球的球心连线也应在正方体的体对角线上,故仍需作正方体的对角面 ,得如图2的截面图,在图2中,观察Rr和棱长间的关系即可.

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