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2022年高考数学总复习考点培优——基本立体图形及空间几何体的表面积和体积

2024-04-13 来源:爱问旅游网
第一节 基本立体图形及空间几何体的表面积和体积

【教材回扣】

1.多面体的结构特征 名称 棱柱 棱锥 棱台 图形 ①有两个面互相____________,其余各个面都是__________; ②每相邻两个四边形的公共边都互相________ ________ 有一个面是______,其余各面都是有一个公共顶点的______的多面体 相交于____,但不一定相等 12________ □ 用一个平行于棱锥底面的平面去截棱锥,__________和________之间的部分 延长线交于 10____ □13________ □结构 特征 侧棱 侧面 11________ □形状 2.旋转体的结构特征 名称 圆柱 圆锥 圆台 球 图形 互相平行且相等, 14____于底面 □全等的 17____ □ 相交于 15____ □全等的 18____ □ 16延长线交于□____ 20______ □母线 轴截面 全等的 19______ □23____ □侧面展 21____ 22____ □□开图 3.圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式 名称 圆柱 圆锥 侧面 展开图 圆台 侧面积 24____ 25____ S圆柱侧=□S圆锥侧=□公式 4.空间几何体的表面积与体积公式 名称 表面积 几何体 柱体 S表面积=S侧+2S底 (棱柱和圆柱) 锥体 S表面积=S侧+S底 (棱锥和圆锥) 台体 (棱台和圆台) 球 S表面积=S侧+S上+S下 29______ S=□S圆台侧= 26____ □体积 27______ V=□28______ V=□1V=(S上+S下+ 3S上S下)h 30______ V=□【题组练透】

题组一 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)

1.棱柱的侧棱都相等,侧面都是全等的平行四边形.( )

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.棱台各侧棱的延长线交于一点.( )

4.夹在圆柱的两个平行截面间的几何体还是旋转体.( ) 题组二 教材改编

1.(多选题)下面结论正确的是( ) A.三角形的直观图是三角形

B.平行四边形的直观图是平行四边形 C.正方形的直观图是正方形 D.菱形的直观图是菱形

2.如图,八面体的每一个面都是正三角形,并且4个顶点A,B,C,D在同一个平面内,如果四边形ABCD是边长为30 cm的正方形,那么这个八面体的表面积是( )

A.2253 B.1 0003

C.1 8003 cm2 D.900+2 0003 cm2

3.如图,圆柱的底面直径和高都等于球的直径,则球与圆柱的体积之比为________.

cm2 cm2

题组三 易错自纠

1.如图,长方体ABCD-A′B′C′D′中被截去一部分,其中EH∥A′D′,剩下的几何体是( )

A.棱台 B.四棱柱 C.五棱柱 D.六棱柱

2.圆柱的侧面展开图是边长为6π和4π的矩形,则圆柱的表面积为( ) A.6π(4π+3) B.8π(3π+1)

C.6π(4π+3)或8π(3π+1) D.6π(4π+1)或8π(3π+2)

3.Rt△ABC的三个顶点都在球O的球面上,AB=AC=2,若球心O到平面ABC的距离为1,则球O的半径为______,球O的表面积为________.

题型一 空间几何体

角度

|空间几何体的结构特征

[例1] (多选题)下列命题不正确的是( )

A.有两个面平行,其余各面都是四边形的几何体叫棱柱 B.有两个面平行,其余各面都是平行四边形的几何体叫棱柱

C.有两个面平行,其余各面都是四边形,并且每相邻两个四边形的公共边都互相平行的几何体叫棱柱

D.用一平面去截棱锥,截面与底面之间的部分组成的几何体叫棱台 [听课记录]

类题通法

解决与空间几何体结构特征有关问题的三个技巧 (1)把握几何体的结构特征,要多观察实物,提高空间想象能力.

(2)紧扣结构特征是判断的关键,熟悉空间几何体的结构特征,依据条件构建几何模型.

(3)通过反例对结构特征进行辨析.

巩固训练1:下列命题正确的是( )

A.以直角三角形的一边所在直线为轴旋转一周所得的旋转体是圆锥 B.以直角梯形的一腰所在直线为轴旋转一周所得的旋转体是圆台 C.圆柱、圆锥、圆台的底面都是圆面

D.一个平面截圆锥,得到一个圆锥和一个圆台 角度

|直观图

[例2] 一个平面四边形的斜二测画法的直观图是一个边长为a的正方形,则原平面四边形的面积等于( )

22

a B.22a2 42222C.a2 D.a 23[听课记录]

类题通法 A.平面图形与其直观图的关系

(1)在斜二测画法中,要确定关键点及关键线段.“平行于x轴的线段平行性不变,长度不变;平行于y轴的线段平行性不变,长度减半.”

(2)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

2S. 4原图形

巩固训练2:已知正三角形ABC的边长为a,那么△ABC的直观图△A′B′C′的面积为( )

3366A.a2 B.a2 C.a2 D.a2 48816=

角度

|展开图

[例3] 纸制的正方形的六个面根据其方位分别标记为上、下、东、南、西、北.现在沿该正方体的一些棱将正方体剪开,外面朝上展平,得到如图所示的平面图形,则标“△”的面的方位是( )

A.南 B.北 C.西 D.下 [听课记录]

类题通法

求解展开图问题的关键及注意事项

求解立体图形展开图问题的关键是弄清原有的性质变化与否.应注意:

(1)点的变化,点与点的重合及点的位置变化;

(2)长度、角度等几何度量的变化.

巩固训练3:如图所示是一个无盖的正方体盒子展开后的平面图,A,B,C是展开图上的三点,则在正方体盒子中,∠ABC的值为( )

A.30° B.45° C.60° D.90°

题型二 空间几何体的表面积与体积

[例4] (1)已知圆柱的上、下底面的中心分别为O1,O2,过直线O1O2的平面截该圆柱所得的截面是面积为8的正方形,则该圆柱的表面积为( )

A.122π B.12π C.82π D.10π

(2)[2020·江苏卷]如图,六角螺帽毛坯是由一个正六棱柱挖去一个圆柱所构成的.已知螺帽的底面正六边形边长为2 cm,高为2 cm,内孔半径为0.5 cm,则此六角螺帽毛坯的体积是________cm3.

(3)(一题两空)如图,在直角梯形ABCD中,AD=AB=4,BC=2,沿中位线EF折起,使得∠AEB为直角,连接AB,CD,则所得的几何体的表面积为________,体积为________.

[听课记录]

类题通法

(1)几何体表面积的计算:根据几何体的直观图或三视图所给的条件,确定表面的形状,选择正确的平面图形的面积公式求解,注意表面积与底面积、侧面积的区别.

(2)几何体体积的计算:简单几何体可用体积公式直接求解,一些组合体的体积则需用转换法、分割法、补形法等方法进行求解.

巩固训练4:(1)若圆锥的侧面展开图是圆心角为120°,半径为l的扇形,则这个圆锥的表面积与侧面积的比为( )

A.3:2 B.2:1 C.4:3 D.5:3

(2)如图所示,已知三棱柱ABC-A1B1C1的所有棱长均为1,且AA1⊥底面ABC,则三棱锥B1-ABC1的体积为( )

33 B. 12466C. D. 124A.

(3)如图,在多面体ABCDEF中,已知四边形ABCD是边长为1的正方形,且△ADE,△BCF均为正三角形,EF∥AB,EF=2,则该多面体的体积为________.

题型三 空间几何体与球的切、接问题 高频考点

角度

|几何体的外接球

[例5] (1)[2019·全国卷Ⅰ]已知三棱锥P-ABC的四个顶点在球O的球面上,PA=PB=PC,△ABC是边长为2的正三角形,E,F分别是PA,AB的中点,∠CEF=90°,则球O的体积为( )

A.86π B.46π C.26π D.6π

(2)[2020·新高考Ⅰ卷]已知直四棱柱ABCD-A1B1C1D1的棱长均为2,∠BAD=60°.以D1

为球心,5为半径的球面与侧面BCC1B1的交线长为________. [听课记录]

类题通法

(1)求解多面体的外接球时,经常用到截面圆.如图所示,设球O的半径为R,截面圆O′的半径为r,M为截面圆上任意一点,球心O到截面圆O′的距离为d,则在Rt△OO′M中,OM2=OO′2+O′M2,即R2=d2+r2.

(2)求解球的内接正方体、长方体等问题的关键是把握球的直径即是几何体的体对角线.

(3)若球面上四点P,A,B,C的连线中PA,PB,PC两两垂直或三棱锥的三条侧棱两两垂直,则可构造长方体或正方体解决问题.

巩固训练5:(1)[2020·天津卷]若棱长为23的正方体的顶点都在同一球面上,则该球的表面积为( )

A.12π B.24π C.36π D.144π (2)[2021·河北唐山模拟]已知四棱锥P-ABCD的顶点都在球O的球面上,PA⊥底面ABCD,AB=AD=1,BC=CD=2.若球O的表面积为36π,则PA=( )

A.2 B.6 C.31 D.33 角度

|几何体的内切球

[例6] (1)已知正三棱锥的高为6,内切球(与四个面都相切)的表面积为16π,则其底面边长为( )

A.18 B.12 C.63 D.43

(2)(一题两空)半径为R的球的外切圆柱(球与圆柱的侧面、两底面都相切)的表面积为________,体积为________.

[听课记录]

类题通法 (1)正多面体存在内切球且正多面体的中心为内切球的球心. (2)求多面体内切球半径,往往可用“等体积法”.

1

V多=S表·R内切·.

3

13

(3)正四面体内切球半径是高的,外接球半径是高的.

44

(4)并非所有多面体都有内切球(或外接球).

巩固训练6:将半径为3,圆心角为的扇形围成一个圆锥(接缝处忽略不计),则该圆

3

锥的内切球的体积为( )

2π3πA. B.

334π

C. D.2π 3

[预测1] 核心素养——数学抽象、直观想象

如图,在矩形ABCD中,EF∥AD,GH∥BC,BC=2,AF=FG=BG=1.现分别沿EF,GH将矩形折叠使得AD与BC重合,则折叠后的几何体的外接球的表面积为( )

A.24π B.6π 168C.π D.π 33

[预测2] 立体几何中的数学文化

玉琮是中国古代玉器中重要的礼器,神人纹玉琮王是新石器时代良渚文化的典型玉器,1986年出土于浙江省余杭市反山文化遗址.玉琮王通高8.8 cm,孔径4.9 cm、外径17.6 cm.琮体四面各琢刻一完整的兽面神人图像,兽面的两侧各浅浮雕鸟纹.器形呈扁矮的方柱体,内圆外方,上下端为圆面的射,中心有一上下垂直相透的圆孔.试估计该神人纹玉琮王的体积约为(单位:cm3)( )

A.6 250 B.3 050 C.2 850 D.2 350

状 元 笔 记

球心的确定

“切”“接”问题的处理规律

(1)“切”的处理

解决与球有关的内切问题主要是指球内切于多面体或旋转体,解答时首先要找准切点,通过作截面来解决.如果内切的是多面体,则作截面时主要抓住多面体过球心的对角面来作.

(2)“接”的处理

把一个多面体的几个顶点放在球面上即为球的外接问题.解决这类问题的关键是抓住外接的特点,即球心到多面体的顶点的距离等于球的半径.

1.由球的定义确定球心

若一个多面体的各顶点都在一个球的球面上,则称这个多面体是这个球的内接多面体,这个球是这个多面体的外接球.也就是说如果一个定点到一个简单多面体的所有顶点的距离都相等,那么这个定点就是该简单多面体外接球的球心.

①长方体或正方体的外接球的球心是其体对角线的中点; ②正三棱柱的外接球的球心是上、下底面中心连线的中点; ③直三棱柱的外接球的球心是上、下底面三角形外心连线的中点;

④正棱锥的外接球的球心在其高上,具体位置可通过建立直角三角形运用勾股定理计算得到.

[典例1] 若正三棱柱ABC-A ′B ′C ′的底面边长为2,侧棱长为1,其顶点都在同一球面上,则球的表面积为________.

【解析】 如图,H ′,H分别为上、下底面的中心,HH ′的中心O为外接球的球心. 由题意得,在Rt△OAH中, 231AH =,OH =,

32

则外接球的半径R=OA=AH2+OH2=

19, 12

19π

表面积S =4πR2=.

3

19π

【答案】 3

2.构造长方体或正方体确定球心

①正四面体、三条侧棱两两垂直的正三棱锥、四个面都是直角三角形的三棱锥,可将三棱锥补成长方体或正方体;

②同一个顶点上的三条棱两两垂直的四面体、相对的棱相等的三棱锥,可将三棱锥补成长方体或正方体;

③若已知棱锥含有线面垂直关系,则可将棱锥补成长方体或正方体; ④若三棱锥的三个侧面两两垂直,则可将三棱锥补成长方体或正方体.

[典例2] 若三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则其外接球的体积是________.

【解析】 三棱锥的三个侧面两两垂直,且侧棱长均为3,则可将三棱锥补形成正方

34π339π

体.从而其外接球的直径为3,半径为,故所求外接球的体积V=×=.

2322

【答案】

2

类题通法

一般地,若一个三棱锥的三条侧棱两两垂直,且其长度分别为a,b,c,则可以将这个三棱锥补形成一个长方体,长方体的体对角线的长就是该三棱锥外接球的直径,即2R = a2+b2+c2.

3.由球的性质确定球心

[典例3] 正三棱锥A-BCD内接于球O,且底面边长为3,侧棱长为2,则球O的表面积为________.

【解析】 如图,设三棱锥A-BCD的外接球的半径为r,M为正△BCD的中心,因为BC =CD =BD =3,AB =AC =AD =2,AM⊥平面BCD,所以DM =1,AM =23

3,又OA =OD =r,所以(3-r)2+1=r2,解得r =,所以球O的表面积S=4πr2

3

16π=. 3

16π

【答案】 3

【探究】 本题运用公式R2=r2+d2(r为三棱锥底面外接圆的半径,R为三棱锥外接球的半径,d为球心到三棱锥底面中心的距离)求球的半径,该公式是求球的半径的常用式.本题的思路是探求正棱锥外接球半径的通法,该方法的实质是通过寻找外接球的一个轴截面,把立体几何问题转化为平面几何问题来研究.

第一节 基本立体图形及空间几何体的表面积和体积 课前基础巩固 [教材回扣]

平行且全等 平行四边形 平行 多边形 三角形 截面 底面 平行且相等 一点 一点 平行四边形 三角形 梯形 垂直 一点 一点 矩形 等腰三角形 等腰梯形

14

圆 矩形 扇形 扇环 2πrl πrl π(r+r′)l S底h S底h 4πR2 πR3

33

[题组练透] 题组一

1.× 2.× 3.√ 4.× 题组二

1.解析:由斜二测直观图的画法法则可知,A、B正确,C不正确,因为正方形的直观图是平行四边形,D不正确,菱形的直观图不是菱形,而是平行四边形.故选AB.

答案:AB

1

2.解析:每个三角形面积为S=×30×153=2253,则表面积为S=8×2253=1

28003(cm2),故选C

答案:C

3.解析:设球的半径为R,则圆柱的底面半径为R,高为2R,

4

∵V球=πR3,V圆柱=πR2·2R=2πR3,

3

4πR32

∴V球V圆柱=2πR3=.

33

2答案: 3题组三

1.解析:由几何体的结构特征,剩下的几何体为五棱柱,故选C. 答案:C

2.解析:设圆柱的底面半径为r, 分两种情况.①若6π=2πr,r=3.

∴圆柱的表面积为:4π×6π+2πr2=24π2+18π=6π(4π+3).

②若4π=2πr,r=2,∴圆柱的表面积为:4π×6π+2×πr2=24π2+8π=8π(3π+1),故选C.

答案:C

3.解析:设O1为斜边BC的中点,则O1为△ABC的外接圆的圆心, ∴OO1⊥平面ABC,则O1O=1

1

在Rt△OBO1中,O1B=BC=2,

2于是OB=

O1O2+O1B2=3.

∴球的半径R=OB=3,则球的表面积S=4πR2=12π. 答案:3 12π

课堂题型讲解

题型一

例1 解析:对于A,它的每相邻两个四边形的公共边不一定互相平行,故A错;对于B,也是它的每相邻两个四边形的公共边不一定互相平行,例如,两个底面全等的斜四棱柱拼接在一起,故B错;对于C,它符合棱柱的定义,故C对;对于D,它的截面与底面不一定互相平行,故D错.故选ABD.

答案:ABD

巩固训练1 解析:由圆锥、圆台、圆柱的定义可知A,B错误,C正确.对于命题D,只有用平行于圆锥底面的平面去截圆锥,才能得到一个圆锥和一个圆台,D不正确.

故选C. 答案:C

例2 解析:根据斜二测画法画平面图形的直观图的规则可知,在x轴上(或与x轴平行)的线段,其长度保持不变;在y轴上(或与y轴平行)的线段,其长度变为原来的一半,且∠x′O′y′=45°(或135°),所以,若设原平面图形的面积为S,则其直观图的面积为S′122=··S=S.可以得出一个平面图形的面积S与它的直观图的面积S′之间的关系是S′2242a2

2

=S,本题中直观图的面积为a,所以原平面四边形的面积S==22a2. 42

4

答案:B

巩固训练2 解析:如图(1)所示的是△ABC的实际图形,图(2)是△ABC的直观图.

13

由图(2)可知A′B′=AB=a,O′C′=OC=a,在图(2)中作C′D′⊥A′B′于

24

26点D′,则C′D′=O′C′=a.

281166∴S△A′B′C′=A′B′·C′D′=×a×a=a2.故选D.

22816

答案:D

例3 解析:如图所示的正方体,要展开成要求的平面图,必须剪开棱BC,使正方形BCC1B1向东的方向展开,剪开棱D1C1使正方形DCC1D1向北的方向展开.剪开棱A1B1,使正方形ABB1A1向南的方向展开,然后展开,则标“△”的面的方位向北,故选B.

答案:B

巩固训练3 解析:还原成正方体后如图所示,由正方体的性质可知,△ABC为正三角形,故∠ABC=60°.

故选C. 答案:C 题型二

例4 解析:(1)设圆柱的轴截面的边长为x,则由x2=8,得x=22,∴S圆柱=2S底+S侧=2×π×(2)2+2π×2×22=12π.

故选B.

32π

×2×2=123(cm3),圆柱的体积为π×0.52×2=(cm3),42

π

123- cm3. 则该六角螺帽毛坯的体积为2

(2)正六棱柱的体积为6×

(3)如图,过点C作CM平行于AB,交AD于点M,作CN平行于BE,交EF于点N,连接MN.由题意可知ABCM,BENC都是矩形,AM=DM=2,CN=2,FN=1,AB=CM=

1

22,所以S△AEB=×2×2=2,

21

S梯形ABCD=×(2+4)×22=62,

21

S梯形BEFC=×(2+3)×2=5,

21

S梯形AEFD=×(3+4)×2=7,

2在直角三角形CMD中,CM=22,MD=2,所以CD=23.又因为DF=FC=5,所

1

以S△DFC=×23×2=6,所以这个几何体的表面积为2+62+5+7+6=14+62+

2

6.

因为截面CMN把这个几何体分割为直三棱柱ABE-MCN和四棱锥C-MNFD,又因为

1

直三棱柱ABE-MCN的体积为V1=S△ABE·AM=×2×2×2=4,四棱锥C-MNFD的体积

2

111

为V2=S四边形MNFD·BE=×(1+2)×2×2=2,所以所求几何体的体积为V1+V2=6.

332

π

答案:(1)B (2)123- (3)14+62+6 6

2

2πl3124111

巩固训练4 解析:(1)底面半径r==l,故圆锥中S侧=πl2,S表=πl2+π3l=92π333πl2,所以表面积与侧面积的比为43.

故选C.

(2)VB1-ABC1=VA-B1BC1 1133=××=. 32212故选A.

(3)如图,取AD的中点M,过M作MN⊥EF于N,取BC的中点G,过G作GH⊥EF于H,连接AN,DN,BH,CH,则原几何体可分割为左锥体E-ADN、右锥体F-BCH、

1

直三棱柱ADN-BCH,且两锥高各是,柱高是1.连接EM,则由△ADE是边长为1的正三

2

3角形,知EM=,

2

MN=

32-12=2. 2221211212∴V=×1××1+2××××1×=.

2232223

2

答案:(1)C (2)A (3)

3

题型三

例5 解析:(1)本题主要考查三棱锥的外接球的体积,考查考生的化归与转化能力、空间想象能力、运算求解能力,考查的核心素养是逻辑推理、直观想象、数学运算.

因为点E,F分别为PA,AB的中点,所以EF∥PB, 因为∠CEF=90°,所以EF⊥CE,所以PB⊥CE. 取AC的中点D,连接BD,PD,易证AC⊥平面BDP,

所以PB⊥AC,又AC∩CE=C,AC,CE⊂平面PAC,所以PB⊥平面PAC, 所以PB⊥PA,PB⊥PC,因为PA=PB=PC,△ABC为正三角形,

所以PA⊥PC,即PA,PB,PC两两垂直,将三棱锥P-ABC放在正方体中如图所示.因为AB=2,所以该正方体的棱长为2,所以该正方体的体对角线长为6,所以三棱锥P-ABC的外接球的半径R=

(2)

6446,所以球O的体积V=πR3=π3=6π,故选D. 2332

如图,连接B1D1,易知△B1C1D1为正三角形,所以B1D1=C1D1=2.分别取B1C1,BB1,CC1的中点M,G,H,连接D1M,D1G,D1H,则易得D1G=D1H=使MP=2,连接D1P,则D1P=

D1M2+MP2=

22+12=5,D1M⊥B1C1,

且D1M=3.由题意知G,H分别是BB1,CC1与球面的交点.在侧面BCC1B1内任取一点P,

32+22=5,连接MG,MH,易

得MG=MH=2,故可知以M为圆心,2为半径的圆弧GH为球面与侧面BCC1B1的交线.由12π∠B1MG=∠C1MH=45°知∠GMH=90°,所以GH的长为×2π×2=.

42

2答案:(1)D (2)π

2

巩固训练5 解析:(1)设外接球的半径为R,易知2R=3×23=6,所以R=3,于是表面积S=4πR2=36π,故选C.

(2)设球O的半径为R,则4πR2=36π,解得R=3.设底面ABCD外接圆的半径为r,则由圆的内接四边形的性质可知∠B+∠D=180°.又AB=AD=1,BC=CD=2,AC=AC,故△ABC≌△ADC,故∠B=∠D=90°,故AC=36-5=31.故选C. 答案:(1)C (2)C 例6

12+22=5=2r,故PA=2R2-2r2=

解析:(1)如图,由题意知,球心在三棱锥的高PE上,设内切球的半径为R,则S球=4πR2

=16π,所以R=2,所以OE=OF=2,OP=4.在Rt△OPF中,PF=OP2-OF2=23,

OFPF2

因为△OPF∽△DPE,所以=,得DE=23,AD=3DE=63,AB=AD=12.故选

DEPE3

B.

(2)S表=πR2×2+π×2×R×R×2

=2πR2+4πR2=6πR2, V=π×R2×R×2=2πR3. 答案:(1)B (2)6πR2 2πR3

巩固训练6 解析:设圆锥的底面半径为r,高为h,则2πr=×3,∴r=1.∴h=32-12

3

R12442π2

=22.设圆锥内切球的半径为R,则=,∴R=,∴V球=πR3=π×3=.

2333222-R3故选A.

答案:A

高考命题预测

预测1 解析:由题意可知,折叠后的几何体是底面为等边三角形的三棱柱,底面等边2

三角形外接圆的半径为×

3

12312-=23.因为三棱柱的高为BC=2,所以其外接球的球

心与底面外接圆圆心的距离为1,则三棱柱外接球的半径为R=16π

三棱柱外接球的表面积S=4πR2=.故选C.

3

答案:C

32+12=23,所以33预测2 解析:由题意,该神人纹玉琮王的体积为底面边长为17.6 cm,高为8.8 cm的长方体的体积减去底面直径为4.9 cm,高为8.8 cm的圆柱的体积.

4.92

3

则V=17.6×17.6×8.8-π×2×8.8≈2 560 cm.

结合该神人纹玉琮王外面方形偏低且去掉雕刻部分,可估计该神人纹玉琮王的体积约为2 350 cm3.故选D. 答案:D

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