高考数学一轮复习 第八章 立体几何 第5讲 简单几何体的再认识(表面积与体积)教学案 理

第八章 立体几何初步第5课时 空间几何体的表面积和体积⎝ ⎛⎭⎪⎫对应学生用书（文）108～110页 （理）110～112页考情分析 考点新知了解柱、锥、台、球的表面积和体积计算公式，会求一些简单几何体的表面积和体积，体会积分思想在计算表面积、体积中的运用． ① 了解柱、锥、台、球的表面积和体积计算公式(不要求记忆公式). ② 会求直棱柱、正棱锥、正棱台、圆柱、圆锥、圆台和球的表面积和体积.1. (必修2P 69习题10改编)用长、宽分别是3π与π的矩形硬纸卷成圆柱的侧面，则圆柱的底面面积为________．答案：94π或14π解析：有两种情况：以3π为圆柱的高时，圆柱底面积为14π，以π为圆柱的高时，圆柱底面积为94π.2. (原创)若等腰直角三角形的直角边长为2，则以一直角边所在的直线为轴旋转一周所成的几何体体积是__________.答案：83π解析：几何体为圆锥，圆锥的底面半径为2，高也为2，体积V ＝13×π×4×2＝83π.3. (2013·南京二模)已知圆锥的侧面展开图是一个半径为3 cm ，圆心角为2π3的扇形，则此圆锥的高为________cm.答案：22解析：设圆锥的底面半径为r ，则2πr ＝2π3×3，所以r ＝1，此圆锥的高为32－12＝2 2.4. (必修2P 55练习4改编)已知正方形ABCD 的边长为2，E 、F 分别为BC 、DC 的中点，沿AE 、EF 、AF 折成一个四面体，使B 、C 、D 三点重合，则这个四面体的体积为________．答案：13解析：折成的四面体为三棱锥AECF ，S △ECF ＝12×1×1＝12，高为AB ＝2，所以这个四面体的体积为V ＝13S △ECF ·AB ＝13×12×2＝13.5. (必修2P 69复习题5改编)若长方体三个面的面积分别为2，3，6，则此长方体的外接球的表面积是________．答案：6π解析：设长方体的过同一顶点的三条棱长分别为a 、b 、c ，则⎩⎨⎧ab ＝2，ac ＝3，bc ＝ 6.解得⎩⎨⎧a ＝1，b ＝2，c ＝ 3.长方体外接球半径为R ＝1212＋（2）2＋（3）2＝62，外接球的表面积为S ＝4π⎝⎛⎭⎫622＝6π.1. 侧棱与底面垂直的棱柱叫做直棱柱，直棱柱的侧面积公式是S 直棱柱侧＝ch ，底面是正多边形的直棱柱叫做正棱柱．柱体的体积公式是V 柱体＝Sh ．2. 如果一个棱锥的底面是正多边形，并且顶点在底面的正投影是底面的中心，该棱锥为正棱锥．正棱锥的侧面积公式是S 正棱锥侧＝12ch ′；锥体的体积为V 锥体＝13Sh ．3. 正棱锥被平行于底面的平面所截，截面和底之间的部分叫做正棱台，其侧面积公式是S 正棱台侧＝12(c ＋c′)·h′；台体的体积公式是34. 圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图分别是矩形、扇形、扇环；圆柱的侧面积公式是S 圆柱侧＝cl ＝2πr ，圆锥的侧面积公式为S 圆锥侧＝12cl ＝πrl ，圆台的侧面积公式为S 圆台侧＝12(c ＋c′)l ＝π(r ＋r′)l ．5. 球体的体积公式是V 球＝43πR 3，其中R 为球的半径．[备课札记]题型1 与几何体的表面积有关的问题例1如图所示，正方体ABCDA 1B 1C 1D 1的棱长为6，则以正方体ABCDA 1B 1C 1D 1的中心为顶点，以平面AB 1D 1截正方体外接球所得的圆为底面的圆锥的全面积为________．答案：(182＋24)π解析：设O 为正方体外接球的球心，则O 也是正方体的中心，O 到平面AB 1D 1的距离是体对角线长的16，即为 3.又球的半径是正方体对角线长的一半，即为33，由勾股定理可知，截面圆的半径为（33）2－（3）2＝26，圆锥底面面积为S 1＝π·(26)2＝24π，圆锥的母线即为球的半径33，圆锥的侧面积为S 2＝π×26×33＝182π.因此圆锥的全面积为S ＝S 2＋S 1＝182π＋24π＝(182＋24)π.备选变式（教师专享）如图，在球面上有四个点P 、A 、B 、C ，如果PA 、PB 、PC 两两互相垂直，且PA ＝PB ＝PC ＝a ，求这个球的表面积．解：如题图，设过A 、B 、C 三点的球的截面圆半径为r ，圆心为O′，球心到该圆面的距离为d ，在三棱锥PABC 中，∵PA 、PB 、PC 两两垂直，PA ＝PB ＝PC ＝a ， ∴AB ＝AC ＝BC ＝2a ，且点P 在△ABC 内的射影是△ABC 的中心O′，由正弦定理，得2a sin60° ＝2r ，∴r ＝63a.又根据球的截面圆性质，有OO′⊥平面ABC ， 而PO′⊥平面ABC ，∴P 、O 、O′三点共线，球的半径R ＝r 2＋d 2.又PO′＝PA 2－r 2＝a 2－23a 2＝33a ，∴OO ′＝R －33a ＝d ＝R 2－r 2，∴⎝⎛⎭⎫R －33a 2＝R 2－⎝⎛⎭⎫63a 2，解得R ＝32a.∴S 球＝4πR 2＝3πa 2.题型2 与几何体体积有关的问题例2 如图①所示，在Rt △ABC 中，AC ＝6，BC ＝3，∠ABC ＝90°，CD 为∠ACB 的平分线，点E 在线段AC 上，CE ＝4.如图②所示，将△BCD 沿CD 折起，使得平面BCD ⊥平面ACD ，连结AB ，设点F 是AB 的中点．(1) 求证：DE ⊥平面BCD ；(2) 若EF ∥平面BDG ，其中G 为直线AC 与平面BDG 的交点，求三棱锥B-DEG 的体积．图①图②(1) 证明：在题图①中，∵ AC ＝6，BC ＝3，∠ABC ＝90°，∴ ∠ACB ＝60°. ∵ CD 为∠ACB 的平分线，∴ ∠BCD ＝∠ACD ＝30°.∴ CD ＝2 3. ∵ CE ＝4，∠DCE ＝30°，∴ DE ＝2.则CD 2＋DE 2＝EC 2.∴ ∠CDE ＝90°.DE ⊥DC. 在题图②中，∵ 平面BCD ⊥平面ACD ，平面BCD ∩平面ACD ＝CD ，DE 平面ACD ，∴ DE ⊥平面BCD.(2) 解：在题图②中，∵ EF ∥平面BDG ，EF Ì平面ABC ，平面ABC ∩平面BDG＝BG ，∴ EF ∥BG .∵ 点E 在线段AC 上，CE ＝4，点F 是AB 的中点， ∴ AE ＝EG ＝CG ＝2.作BH ⊥CD 交于H.∵ 平面BCD ⊥平面ACD ，∴ BH ⊥平面ACD.由条件得BH ＝32.S △DEG ＝13S △ACD ＝13×12AC ·CD ·sin30°＝ 3.三棱锥B-DEG 的体积V ＝13S △DEG ·BH ＝13×3×32＝32.变式训练在△ABC 中，∠BAC ＝90°，∠B ＝60°，AB ＝1，D 为线段BC 的中点，E 、F 为线段AC 的三等分点(如图①)．将△ABD 沿着AD 折起到△AB′D 的位置，连结B′C (如图②)．(1) 若平面AB′D ⊥平面ADC ，求三棱锥B′-ADC 的体积；(2) 记线段B′C 的中点为H ，平面B′ED 与平面HFD 的交线为l ，求证：HF ∥l ； (3) 求证：AD ⊥B′E.图①图②(1) 解：在直角△ABC 中，D 为BC 的中点，所以AD ＝BD ＝CD.又∠B ＝60°，所以△ABD 是等边三角形．取AD 中点O ，连结B′O ，所以B′O ⊥AD.因为平面AB′D ⊥平面ADC ，平面AB′D ∩平面ADC ＝AD ，B′O 平面AB′D ，所以B′O ⊥平面ADC.在△ABC 中，∠BAC＝90°，∠B ＝60°，AB ＝1，D 为BC 的中点，所以AC ＝3，B ′O ＝32.所以S △ADC ＝12×12×1×3＝34.所以三棱锥B′ADC 的体积为V ＝13×S △ADC ×B ′O ＝18. (2) 证明：因为H 为B′C 的中点，F 为CE 的中点，所以HF ∥B′E.又HF 平面B′ED ，B ′E 平面B ′ED ，所以HF ∥平面B′ED.因为HF Ì平面HFD ，平面B′ED ∩平面HFD ＝l ，所以HF ∥l.(3) 证明：连结EO ，由(1)知，B ′O ⊥AD.因为AE ＝33，AO ＝12，∠DAC ＝30°，所以EO ＝AE 2＋AO 2－2AE·AOcos30°＝36.所以AO 2＋EO 2＝AE 2.所以AD ⊥EO.又B′O Ì平面B′EO ，EO Ì平面B′EO ，B ′O ∩EO ＝O ， 所以AD ⊥平面B′EO.又B′E Ì平面B′EO ，所以AD ⊥B′E. 题型3 简单几何体的综合应用 例3 (2013·徐州调研)在边长为a 的正三角形铁皮的三个角切去三个全等的四边形，再把它的边沿虚线折起(如图)，做成一个无盖的正三角形底铁皮箱，当箱底边长为多少时，箱子容积最大？最大容积是多少？解：设箱底边长为x ，则箱高为h ＝33×a －x 2(0<x<a)， 箱子的容积为V(x)＝12x 2×sin60°×h ＝18ax 2－18x 3(0<x<a)．由V′(x)＝14ax －38x 2＝0，解得x 1＝0(舍)，x 2＝23a ，且当x ∈⎝⎛⎭⎫0，23a 时，V ′(x)>0；当x ∈⎝⎛⎭⎫23a ，a 时，V ′(x)<0， 所以函数V(x)在x ＝23a 处取得极大值，这个极大值就是函数V(x)的最大值： V ⎝⎛⎭⎫23a ＝18a ×⎝⎛⎭⎫23a 2－18×⎝⎛⎭⎫23a 3＝154a 3.答：当箱子底边长为23a 时，箱子容积最大，最大值为154a 3.备选变式（教师专享）四面体的六条棱中，有五条棱长都等于a. (1) 求该四面体的体积的最大值；(2) 当四面体的体积最大时，求其表面积．解： (1) 如图，在四面体ABCD 中，设AB ＝BC ＝CD ＝AC ＝BD ＝a ，AD ＝x ，取AD 的中点为P ，BC 的中点为E ，连结BP 、EP 、CP.得到AD ⊥平面BPC ，∴ V A －BCD ＝V A －BPC ＋V D －BPC ＝13·S △BPC ·AP ＋13S △BPC ·PD ＝13·S △BPC ·AD ＝13·12·aa 2－x 24－a24·x＝a 12（3a 2－x 2）x 2≤a 12·3a 22＝18a 3(当且仅当x ＝62a 时取等号)． ∴ 该四面体的体积的最大值为18a 3.(2) 由(1)知，△ABC 和△BCD 都是边长为a 的正三角形，△ABD 和△ACD 是全等的等腰三角形，其腰长为a ，底边长为62a ，∴ S 表＝2×34a 2＋2×12×62a ×a 2－⎝⎛⎭⎫64a 2＝32a 2＋62a ×10a 4＝32a 2＋15a 24＝23＋154a 2.【示例】 (本题模拟高考评分标准，满分14分)如图，底面边长为a ，高为h 的正三棱柱ABC-A 1B 1C 1，其中D 是AB 的中点，E 是BC 的三等分点．求几何体BDEA 1B 1C 1的体积．学生错解：解 ∵ BD ＝a 2，BE ＝a3，∠DBE ＝60°，∴ S △DBE ＝12BD ·BEsin ∠DBE ＝324a 2，S △A 1B 1C 1＝12·A 1B 1·B 1C 1sin60°＝34a 2.由棱台体积公式得VBDEA 1B 1C 1＝13h(S △BDE ＋S △A 1B 1C 1＋S △BDE ·S △A 1B 1C 1)＝13h ⎝ ⎛⎭⎪⎫324a 2＋34a 2＋324a 2·34a 2 ＝73＋3272a 2h.审题引导： (1) 弄清组合体的结构，这里几何体DBEA 1B 1C 1不是棱台，也可补上一个三棱锥使之成为一个三棱台；(2) 运用体积公式进行计算．规范解答：解：如图，取BC 中点F ，连结DF 、C 1D 、C 1E 、C 1F ，得正三棱台DBFA 1B 1C 1及三棱锥C 1DEF.∵S △A 1B 1C 1＝34a 2，S △DBF ＝14S △ABC ＝316a 2，(4分)∴VDBFA 1B 1C 1＝13h(S △DBF ＋S △A 1B 1C 1＋S △DBF ·S △A 1B 1C 1)＝13h(34a 2＋316a 2＋34a 2·316a 2)＝7348a 2h.(8分) ∴ VC 1DEF ＝13h ·112·34a 2＝3144a 2h ，(10分)∴ VBDEA 1B 1C 1＝VDBFA 1B 1C 1VC 1DEF ＝7348a 2h －3144a 2h ＝5338a 2h.(14分)错因分析：没有弄清所给几何体的结构，几何体DBEA 1B 1C 1不是棱台．1. (2013·南京调研)如图，已知正三棱柱ABCA 1B 1C 1的底面边长为2 cm ，高为5 cm ，则一质点自点A 出发，沿着三棱柱的侧面绕行两周到达点A 1的最短路线的长为________cm.答案：13解析：根据题意，利用分割法将原三棱柱分割为两个相同的三棱柱，然后将其展开为如图所示的实线部分，则可知所求最短路线的长为52＋122＝13(cm)．2. 一个圆锥的侧面展开图是圆心角为43π，半径为18 cm 的扇形，则圆锥母线与底面所成角的余弦值为________．答案：23解析：设母线长为l ，底面半径为r ，则依题意易知l ＝18 cm ，由αl ＝2πr ，代入数据即可得43π×18＝2πr ，解得r ＝12 cm ，因此所求角的余弦值即为r l ＝1218＝23.3. (2013·济南模拟改)如图所示，在正三棱锥S-ABC 中，M 、N 分别是SC 、BC 的中点，且MN ⊥AM ，若侧棱SA ＝23，则正三棱锥SABC 外接球的表面积是________．答案：36π解析：在正三棱锥S-ABC 中，易证SB ⊥AC ，又MN ∥12BS ，∴ MN ⊥AC.∵ MN ⊥AM ，∴ MN ⊥平面ACM.∴ MN ⊥SC ，∴ ∠CSB ＝∠CMN ＝90°，即侧面为直角三角形，底面边长为2 6.此棱锥的高为2，设外接球半径为R ，则(2－R)2＋⎝⎛⎭⎫26×32×232＝R 2，∴ R ＝3，∴ 外接球的表面积是36π.4. 我国古代数学名著《数书九章》中有“天池盆测雨”题：在下雨时，用一个圆台形的天池盆接雨水．天池盆盆口直径为二尺八寸，盆底直径为一尺二寸，盆深一尺八寸．若盆中积水深九寸，则平地降雨量是________寸．(注：① 平地降雨量等于盆中积水体积除以盆口面积；② 一尺等于十寸)答案：3解析：本题考查圆台的体积公式．做出圆台的轴截面如图，由题意知，BF ＝14(单位寸，下同)，OC ＝6，OF ＝18，OG ＝9，即G 是OF 中点，所以GE 为梯形的中位线，所以GE ＝14＋62＝10，即积水的上底面半径为10.所以盆中积水的体积为13(100π＋36π＋100π×36π)＝588π.盆口的面积为142π＝196π，所以588π196π＝3，即平地降雨量是3寸．5. 如图，四棱锥P-ABCD 中，PA ⊥底面ABCD ，AB ⊥AD ，点E 在线段AD 上，且CE ∥AB. (1) 求证：CE ⊥平面PAD ；(2) 若PA ＝AB ＝1，AD ＝3，CD ＝2，∠CDA ＝45°，求四棱锥P-ABCD 的体积． (1) 证明：因为PA ⊥平面ABCD ，CE 平面ABCD ，所以PA ⊥CE. 因为AB ⊥AD ，CE ∥AB ， 所以CE ⊥AD. 又PA ∩AD ＝A ， 所以CE ⊥平面PAD.(2) 解：由(1)可知CE ⊥AD.在Rt △ECD 中，DE ＝CD·cos45°＝1，CE ＝CD·sin45°＝1.因为AB ＝CE ＝1，AB ∥CE ，所以四边形ABCE 为矩形．所以S ABCD ＝S ABCE ＋S △ECD ＝AB·AE ＋12CE ·DE ＝1×2＋12×1×1＝52.又PA ⊥平面ABCD ，PA ＝1，所以V P-ABCD ＝13S ABCD ·PA ＝13×52×1＝56.1. (2013·福州模拟)如图所示，已知三棱柱ABC －A 1B 1C 1的所有棱长均为1，且AA 1⊥底面ABC ，则三棱锥B 1－ABC 1的体积为________．答案：312解析：三棱锥B 1－ABC 1的体积等于三棱锥A －B 1BC 1的体积，三棱锥A －B 1BC 1的高为32，底面积为12，故其体积为13×12×32＝312. 2. 一个球与一个正三棱柱的三个侧面和两个底面都相切，已知这个球的体积是323π，那么这个三棱柱的体积是________．答案：483解析：因为球的体积为323π，柱体的高为2r ＝4，又正三棱柱的底面三角形内切圆半径与球半径相等，r ＝2，所以底面边长a ＝43，所以V 柱＝34×(43)2×4＝48 3.3. (2013·杭州模拟)如图，在四边形ABCD 中，∠DAB ＝90°，∠ADC ＝135°，AB ＝5，CD ＝22，AD ＝2，求四边形ABCD 绕AD 旋转一周所成几何体的表面积及体积．解：由已知得CE ＝2，DE ＝2，CB ＝5，S 表面＝S 圆台侧＋S 圆台下底＋S 圆锥侧＝π(2＋5)×5＋π×25＋π×2×22＝(60＋42)π，V＝V 圆台－V 圆锥＝13(π·22＋π·52＋22·52π2)×4－13π×22×2＝1483π.4. 如图所示，为了制作一个圆柱形灯笼，先要制作4个全等的矩形骨架，总计耗用9.6米铁丝，再用S 平方米塑料片制成圆柱的侧面和下底面(不安装上底面)．当圆柱底面半径r 取何值时，S 取得最大值？并求出该最大值(结果精确到0.01平方米)．解：由题意可知矩形的高即圆柱的母线长为9.6－8×2r8＝1.2－2r ，∴ 塑料片面积S ＝πr 2＋2πr(1.2－2r)＝πr 2＋2.4πr －4πr 2＝－3πr 2＋2.4πr ＝－3π(r 2－0.8r)＝－3π(r －0.4)2＋0.48π.∴ 当r ＝0.4时，S 有最大值0.48π，约为1.51平方米．1. 几何体体积的求法：(1) 若所给几何体为柱、锥、台、球等简单几何体，可直接套用公式计算求解；(2) 若所给几何体的体积不能直接利用公式得出，则常用转换法、分割法、补形法等方法进行求解．熟练掌握柱、锥、台、球等各种简单几何体的结构特征，弄清组合体的结构十分必要．2. 求几何体表面上两点间的最短距离的常用方法：选择恰当的棱或母线将几何体展开，转化为求平面上两点间的最短距离．请使用课时训练(B)第5课时(见活页)．[备课札记]。

基础知识整合１．多面体的表面积、侧面积因为多面体的各个面都是平面，所以多面体的侧面积就是错误!侧面展开图的面积，表面积是侧面积与底面面积之和．２．圆柱、圆锥、圆台的侧面展开图及侧面积公式３．柱、锥、台和球的表面积和体积１．与体积有关的几个结论（１）一个组合体的体积等于它的各部分体积的和或差．（２）底面面积及高都相等的两个同类几何体的体积相等．２．几个与球有关的切、接常用结论（１）正方体的棱长为a，球的半径为R，１若球为正方体的外接球，则２R＝错误!a；２若球为正方体的内切球，则２R＝a；３若球与正方体的各棱相切，则２R＝错误!Ａ．（２）若长方体的同一顶点的三条棱长分别为a，b，c，外接球的半径为R，则２R＝错误!.（３）正四面体的外接球与内切球的半径之比为３∶１．１．如图，网格纸上小正方形的边长为１，粗线画出的是某几何体的三视图，则此几何体的体积为（）Ａ．6 Ｂ．9Ｃ．１２Ｄ．１8答案B解析由三视图可推知，几何体的直观图如图所示，可知AB＝6，CD＝３，PC＝３，CD垂直平分AB，且PC⊥平面ACB，故所求几何体的体积为错误!×错误!×３＝9．故选Ｂ．２．（２0１8·浙江高考）某几何体的三视图如图所示（单位：cm），则该几何体的体积（单位：cm３）是（）Ａ．２Ｂ．４Ｃ．6 Ｄ．8答案C解析由三视图知该几何体是底面为直角梯形的直四棱柱，即如图所示四棱柱A１B１C１D１—ABC Ｄ．由三视图中数据可知底面梯形的两底分别为１和２，高为２，所以S底面＝错误!×（１＋２）×２＝３．直四棱柱的高为２，所以体积V＝３×２＝6．故选Ｃ．３．（２0１9·北京模拟）某三棱锥的三视图如图所示，则该三棱锥的表面积是（）Ａ．２＋错误!Ｂ．４＋错误!Ｃ．２＋２错误!Ｄ．５答案C解析该三棱锥的直观图如图所示：过D作DE⊥BC，交BC于E，连接AE，则BC＝２，EC＝１，AD＝１，ED＝２，S表＝S△BCD＋S△ACD＋S△ABD＋S△ABC＝错误!×２×２＋错误!×错误!×１＋错误!×错误!×１＋错误!×２×错误!＝２＋２错误!.故选Ｃ．４．如图，半球内有一个内接正方体，正方体的一个面在半球的底面圆内，若正方体棱长为错误!，则球的表面积和体积分别为________，________.答案３6π３6π解析底面中心与C′连线即为半径，设球的半径为R，则R２＝（错误!）２＋（错误!）２＝9．所以R＝３，所以S球＝４πR２＝３6π，V球＝错误!πR３＝３6π.５．如图所示，已知球O的球面上有四点A，B，C，D，DA⊥平面ABC，AB⊥BC，DA＝AB＝BC＝错误!，则球O的体积等于________．答案错误!解析由题意知，DC边的中点就是球心O，因为它到D，A，C，B四点的距离相等，∴球的半径R＝错误!CD，又AB＝BC＝错误!，∴AC＝错误!，∴CD＝错误!＝３，∴R＝错误!，∴V球O＝错误!错误!３＝错误!.核心考向突破考向一几何体的表面积例１（１）（２0１8·全国卷Ⅰ）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．１２错误!πＢ．１２πＣ．8错误!π Ｄ．１0π答案B解析根据题意，可得截面是边长为２错误!的正方形，结合圆柱的特征，可知该圆柱的底面为半径是错误!的圆，且高为２错误!，所以其表面积为S＝２π（错误!）２＋２π×错误!×２错误!＝１２π.故选Ｂ．（２）（２0１9·河北承德模拟）某几何体的三视图如图所示，网格纸上小正方形的边长为１，则该几何体的表面积为（）Ａ．8＋４错误!＋２错误!Ｂ．6＋４错误!＋４错误!Ｃ．6＋２错误!＋２错误!Ｄ．8＋２错误!＋２错误!答案C解析由三视图可知，该几何体为放在正方体内的四棱锥E—ABCD，如图，正方体的棱长为２，该四棱锥底面为正方形，面积为４，前后两个侧面为等腰三角形，面积分别为２错误!，２，左右两个侧面为直角三角形，面积都为错误!，可得这个几何体的表面积为6＋２错误!＋２错误!，故选Ｃ．触类旁通空间几何体表面积的求法（１）以三视图为载体的几何体的表面积问题，关键是分析三视图确定几何体中各元素之间的位置关系及数量．错误!错误!即时训练１．（２0１9·山东潍坊模拟）如图，网格纸上小正方形的边长为１，粗实线画出的是某几何体的三视图，则该几何体的表面积为（）Ａ．２0π Ｂ．２４πＣ．２8π Ｄ．３２π答案C解析由三视图可知该几何体为组合体，上半部分为圆柱，下半部分为圆锥，圆柱的底面半径为１，高为２，圆锥的底面半径为３，高为４，则该几何体的表面积S＝π×３２＋π×３×５＋２π×１×２＝２8π.故选Ｃ．２．一个四面体的三视图如图所示，则该四面体的表面积是（）Ａ．１＋错误!Ｂ．１＋２错误!Ｃ．２＋错误!Ｄ．２错误!答案C解析由三视图可得该四面体的直观图如图所示，平面ABD⊥平面BCD，△ABD与△BCD为全等的等腰直角三角形，AB＝AD＝BC＝CD＝错误!.取BD的中点O，连接AO，CO，则AO⊥CO，AO＝CO＝１．由勾股定理得AC＝错误!，因此△ABC与△ACD为全等的正三角形，由三角形面积公式得S△ABC＝S△ACD ＝错误!，S△ABD＝S△BCD＝１，所以四面体的表面积为２＋错误!.故选Ｃ．考向二几何体的体积角度错误!补形法求体积例２（１）（２0１7·全国卷Ⅱ）如图，网格纸上小正方形的边长为１，粗实线画出的是某几何体的三视图，该几何体由一平面将一圆柱截去一部分后所得，则该几何体的体积为（）Ａ．90πＢ．6３πＣ．４２πＤ．３6π答案B解析（割补法）由几何体的三视图可知，该几何体是一个圆柱截去上面虚线部分所得，如图所示．将圆柱补全，并将圆柱从点A处水平分成上下两部分．由图可知，该几何体的体积等于下部分圆柱的体积加上上部分圆柱体积的错误!，所以该几何体的体积V＝π×３２×４＋π×３２×6×错误!＝6３π.故选Ｂ．（２）（２0１9·河北质检）《九章算术》是中国古代第一部数学专著，书中有关于“堑堵”的记载，“堑堵”即底面是直角三角形的直三棱柱．已知某“堑堵”被一个平面截去一部分后，剩下部分的三视图如图所示，则剩下部分的体积是（）Ａ．５0 Ｂ．7５Ｃ．２５．５Ｄ．３7．５答案D解析如图，由题意及给定的三视图可知，剩余部分是在直三棱柱的基础上，截去一个四棱锥C１—MNB １A１所得的，且直三棱柱的底面是腰长为５的等腰直角三角形，高为５．图中几何体ABCC１MN为剩余部分，因为AM＝２，B１C１⊥平面MNB１A１，所以剩余部分的体积V＝V三棱柱—V四棱锥＝错误!×５×５×５—错误!×３×５×５＝３7．５，故选Ｄ．角度错误!分割法求体积例３（１）（２0１9·山西五校联考）《九章算术》是我国古代内容极为丰富的数学名著，书中有如下问题：“今有刍甍，下广三丈，袤四丈；上袤二丈，无广；高一丈，问：积几何？”其意思为：“今有底面为矩形的屋脊柱的楔体，下底面宽３丈，长４丈；上棱长２丈，高１丈，问它的体积是多少？”已知１丈为１0尺，现将该楔体的三视图给出，其中网格纸上小正方形的边长为１丈，则该楔体的体积为（）Ａ．５000立方尺Ｂ．５５00立方尺Ｃ．6000立方尺Ｄ．6５00立方尺答案A解析该楔体的直观图如图中的几何体ABCDEF.取AB的中点G，CD的中点H，连接FG，GH，HF，则该几何体的体积为四棱锥F—GBCH与三棱柱ADE—GHF的体积之和．又可以将三棱柱ADE—GHF割补成高为EF，底面积为S＝错误!×３×１＝错误!平方丈的一个直棱柱，故该楔体的体积V＝错误!×２＋错误!×２×３×１＝５立方丈＝５000立方尺．故选Ａ．（２）（２0１8·江苏高考）如图所示，正方体的棱长为２，以其所有面的中心为顶点的多面体的体积为________．答案错误!解析多面体由两个完全相同的正四棱锥组合而成，其中正四棱锥的底面边长为错误!，高为１，∴其体积为错误!×（错误!）２×１＝错误!，∴多面体的体积为错误!.角度错误!转化法求体积例４（１）如图所示，在正三棱柱ABC—A１B１C１中，AB＝４，AA１＝6．若E，F分别是棱BB１，CC１上的点，则三棱锥A—A１EF的体积是________．答案8错误!解析由正三棱柱的底面边长为４，得点F到平面A１AE的距离（等于点C到平面A１ABB１的距离）为错误!×４＝２错误!，则V三棱锥A—A１EF＝V三棱锥F—A１AE＝错误!S三角形A１AE×２错误!＝错误!×错误!×6×４×２错误!＝8错误!.（２）三棱锥P—ABC中，D，E分别为PB，PC的中点，记三棱锥D—ABE的体积为V１，P—ABC的体积为V２，则错误!＝________.答案错误!解析如图所示，由于D，E分别是边PB与PC的中点，所以S△BDE＝错误!S△PBＣ．又因为三棱锥A—BDE 与三棱锥A—PBC的高相等，所以错误!＝错误!.触类旁通空间几何体体积问题的常见类型及解题策略（１）若所给定的几何体是可直接用公式求解的柱体、锥体或台体，则可直接利用公式进行求解．２若所给定的几何体的体积不能直接利用公式得出，则常用转换法、分割法、补形法等方法进行求解.３若以三视图的形式给出几何体，则应先根据三视图得到几何体的直观图，然后根据条件求解.即时训练３．（２0１9·安徽蚌埠质检）如图，网格纸上小正方形的边长为１，粗线画出的是某几何体的三视图，则它的体积可能为（）Ａ．π＋错误!Ｂ．π＋２Ｃ．２π＋错误!Ｄ．２π＋２答案A解析由三视图可知，该几何体由半个圆柱和一个三棱锥组合而成．故体积为错误!×π×１２×２＋错误!×错误!×２×２×２＝π＋错误!.４．如图所示，正方体ABCD—A１B１C１D１的棱长为１，E，F分别为线段AA１，B１C上的点，则三棱锥D１—EDF的体积为________．答案错误!解析三棱锥D１—EDF的体积即为三棱锥F—DD１E的体积．因为E，F分别为AA１，B１C上的点，所以正方体ABCD—A１B１C１D１中△EDD１的面积为定值错误!，F到平面AA１D１D的距离为定值１，所以VF—DD１E＝错误!×错误!×１＝错误!.５．如图，△ABC中，AB＝8，BC＝１0，AC＝6，DB⊥平面ABC，且AE∥FC∥BD，BD＝３，FC＝４，AE＝５．求此几何体的体积．解解法一：如图，取CM＝AN＝BD，连接DM，MN，DN，用“分割法”把原几何体分割成一个直三棱柱和一个四棱锥．则V几何体＝V三棱柱＋V四棱锥．由题知三棱柱ABC—NDM的体积为V１＝错误!×8×6×３＝7２．四棱锥D—MNEF的体积为：V２＝错误!×S梯形MNEF×DN＝错误!×错误!×（１＋２）×6×8＝２４，则几何体的体积为：V＝V１＋V２＝7２＋２４＝96．解法二：用“补形法”把原几何体补成一个直三棱柱，使AA′＝BB′＝CC′＝8，所以V几何体＝错误!V三棱柱＝错误!×S△ABC×AA′＝错误!×２４×8＝96．考向三与球有关的切、接问题例５（１）（２0１8·全国卷Ⅲ）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错误!，则三棱锥D—ABC体积的最大值为（）Ａ．１２错误!Ｂ．１8错误!Ｃ．２４错误!Ｄ．５４错误!答案B解析如图所示，点M为三角形ABC的重心，E为AC的中点，当DM⊥平面ABC时，三棱锥D—ABC 体积最大，此时，OD＝OB＝R＝４．∵S△ABC＝错误!AB２＝9错误!，∴AB＝6，∵点M为三角形ABC的重心，∴BM＝错误!BE＝２错误!，∴在Rt△OMB中，有OM＝错误!＝２．∴DM＝OD＋OM＝４＋２＝6，∴（V三棱锥D—ABC）max＝错误!×9错误!×6＝１8错误!.故选Ｂ．（２）（２0１7·全国卷Ⅰ）已知三棱锥S—ABC的所有顶点都在球O的球面上，SC是球O的直径．若平面SCA⊥平面SCB，SA＝AC，SB＝BC，三棱锥S—ABC的体积为9，则球O的表面积为________．答案３6π解析如图，连接OA，OＢ．由SA＝AC，SB＝BC，SC为球O的直径，知OA⊥SC，OB⊥SＣ．由平面SCA⊥平面SCB，平面SCA∩平面SCB＝SC，OA⊥SC，知OA⊥平面SCＢ．设球O的半径为r，则OA＝OB＝r，SC＝２r，∴三棱锥S—ABC的体积V＝错误!×错误!·OA＝错误!，即错误!＝9，∴r＝３，∴S球表＝４πr２＝３6π.触类旁通空间几何体与球切、接问题的求解方法（１）与球有关的组合体问题，一种是内切，一种是外接．球与旋转体的组合通常是作它们的轴截面解题，球与多面体的组合，通过多面体的一条侧棱和球心，或“切点”“接点”作出截面图，把空间问题化归为平面问题．２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确定直径解决外接问题.即时训练6．已知直三棱柱ABC—A１B１C１的各顶点都在以O为球心的球面上，且∠BAC＝错误!，AA１＝BC＝２，则球O的体积为（）Ａ．４错误!π Ｂ．8πＣ．１２π Ｄ．２0π答案A解析在底面△ABC中，由正弦定理得底面△ABC所在的截面圆的半径为r＝错误!＝错误!＝错误!，则直三棱柱ABC—A１B１C１的外接球的半径为R＝错误!＝错误!＝错误!，则直三棱柱ABC—A１B１C１的外接球的体积为错误!πR３＝４错误!π.故选Ａ．7．（２0１8·漳州模拟）在直三棱柱A１B１C１—ABC中，A１B１＝３，B１C１＝４，A１C１＝５，AA １＝２，则其外接球与内切球的表面积之比为（）Ａ．错误!Ｂ．错误!Ｃ．错误!Ｄ．２9答案A解析由底面三角形的三边长可知，底面三角形为直角三角形，内切球半径r＝错误!＝１，取AC，A１C １的中点D，E，则外接球球心在DE的中点O，由A１C１＝５，AA１＝２，得AC１＝错误!，∴R＝OA ＝错误!，错误!＝错误!＝错误!，故选Ａ．。

第5讲简单几何体的再认识(表面积与体积)一、知识梳理1．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＝2πrl S圆锥侧＝πrl S圆台侧＝π(r＋r′)l名称表面积体积几何体柱体(棱柱和圆柱)S表面积＝S侧＋2S底V＝S底h12锥 体(棱锥和圆锥) S 表面积＝S 侧＋S 底V ＝13S 底h台 体(棱台和圆台) S 表面积＝S 侧＋S 上＋S 下V ＝13(S 上＋S 下＋S 上S 下)h球 S ＝4πR 2V ＝43πR 3常用结论1．正方体的外接球、内切球及与各条棱相切球的半径(1)外接球：球心是正方体的中心；半径r ＝32a (a 为正方体的棱长)．(2)内切球：球心是正方体的中心；半径r ＝a2(a 为正方体的棱长)．(3)与各条棱都相切的球：球心是正方体的中心；半径r ＝22a (a 为正方体的棱长).2.正四面体的外接球、内切球的球心和半径(1)正四面体的外接球与内切球(正四面体可以看作是正方体的一部分)．(2)外接球：球心是正四面体的中心；半径r ＝64a (a 为正四面体的棱长)．3(3)内切球：球心是正四面体的中心；半径r＝612a (a 为正四面体的棱长)．二、教材衍化1．已知圆锥的表面积等于12π cm 2，其侧面展开图是一个半圆，则底面圆的半径为________．解析：S 表＝πr 2＋πrl ＝πr 2＋πr ·2r ＝3πr 2＝12π，所以r 2＝4，所以r ＝2.答案：2 cm2．如图，将一个长方体用过相邻三条棱的中点的平面截出一个棱锥，则该棱锥的体积与剩下的几何体体积的比为________．解析：设长方体的相邻三条棱长分别为a ，b ，c ，它截出棱锥的体积V 1＝13×12×12a ×12b ×12c ＝148abc ，剩下的几何体的体积V 2＝abc －148abc ＝4748abc ，所以V 1∶V 2＝1∶47.答案：1∶47一、思考辨析判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)多面体的表面积等于各个面的面积之和．( )(2)锥体的体积等于底面积与高之积．( )(3)球的体积之比等于半径比的平方．( )(4)简单组合体的体积等于组成它的简单几何体体积的和或差．( )(5)长方体既有外接球又有内切球．( )答案：(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×二、易错纠偏常见误区|Ｋ(1)不能把三视图正确还原为几何体而错解表面积或体积；(2)考虑不周忽视分类讨论；(3)几何体的截面性质理解有误；(4)混淆球的表面积公式和体积公式．1．已知一个四棱锥的底面是平行四边形，该四棱锥的三视图如图所示(单位：m)，则该四棱锥的体积为________m3.45解析：根据三视图可知该四棱锥的底面是底边长为2 m ，高为1 m 的平行四边形，四棱锥的高为3 m ．故该四棱锥的体积V ＝13×2×1×3＝2(m 3)．答案：22．将一个相邻边长分别为4π，8π的矩形卷成一个圆柱，则这个圆柱的表面积是________．解析：当底面周长为4π时，底面圆的半径为2，两个底面的面积之和是8π；当底面周长为8π时，底面圆的半径为4，两个底面的面积之和为32π.无论哪种方式，侧面积都是矩形的面积32π2，故所求的表面积是32π2＋8π或32π2＋32π.答案：32π2＋8π或32π2＋32π3．已知圆柱的上、下底面的中心分别为O 1，O 2，过直线O 1O 2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________．解析：因为过直线O 1O 2的平面截该圆柱所得的截面是面积为8的正方形，所以圆柱的高为22，底面圆的直径为22，所以该圆柱的表面积为2×π×(2)2＋22π×22＝12π.答案：12π。

第5讲简单几何体的再认识（表面积与体积）1.(2016·陕西省质量检测)一个几何体的三视图如图所示，那么该几何体的体积是()A．3B．24 2C. D.3 3解析：选D.由三视图可得该几何体是三棱锥，高为2，底面是直角边长分别为1和2的直角三1 1 2角形，所以其体积为V＝×2×＝.3 (×2×1)2 32．如图所示，已知三棱柱ABC­A1B1C1的所有棱长均为1，且AA1⊥底面ABC，则三棱锥B1­ABC1 的体积为()3 3A. B.12 46 6C. D.12 43 解析：选A.三棱锥B1­ABC1的体积等于三棱锥A­B1BC1的体积，三棱锥A­B1BC1的高为，底面21 1 1 3 3积为，故其体积为××＝.2 3 2 2 123．(2016·合肥模拟)某空间几何体的三视图如图所示，则该几何体的表面积为()A．12＋4 2 B．18＋8 2C．28 D．20＋82解析：选D.由三视图可知该几何体是底面为等腰直角三角形的直三棱柱，如图．1则该几何体的表面积为S＝2××2×2＋4×2×2＋2 2×4＝20＋8 2，故选D.24．(2015·高考重庆卷改编)某几何体的三视图如图所示，则该几何体的体积为()11 2A. ＋πB. ＋π3 31 2C. ＋2πD. ＋2π3 3解析：选A.由三视图可知该几何体是由一个半圆柱和一个三棱锥组成的．由图中数据可得三1 1 1 1 1 棱锥的体积V1＝××2×1×1＝，半圆柱的体积V2＝×π×12×2＝π，所以V＝＋π.3 2 3 2 35.(2016·许昌、新乡、平顶山三市联考)已知某几何体的三视图如图所示，则该几何体的体积为()8πA. B．3π310πC. D．6π3解析：选B.根据几何体的三视图可知该几何体为一个平面截去圆柱上半部分的一半后剩下的1 部分，所求几何体的体积为V＝π×12×2＋π×12×2＝3π.26．(2016·郑州质量预测)如图所示是一个几何体的三视图，则这个几何体外接球的表面积为()A．8πB．16πC．32πD．64π解析：选C.由题可得该几何体是一个以主视图为底面的三棱柱，如图所示(图中的三棱柱截去一部2分所剩几何体)，对应主视图是边长为4的正方形，对应的四棱锥的高为2，可知主视图中正方形的中心即为其外接球的球心，则R＝2 2，则其外接球表面积为S＝4πR2＝32π.97．一个六棱柱的底面是正六边形，其侧棱垂直于底面，且该六棱柱的体积为，底面周长为3，8则棱柱的高h＝________．1 3 3解析：因为底面周长为3，所以正六边形的边长为，则正六边形的面积为.2 89 3 3 9又因为六棱柱的体积为，即h＝，所以h＝ 3.8 8 8答案： 38．(2015·高考天津卷改编)一个几何体的三视图如图所示(单位：m)，则该几何体的体积为________m3.解析：由几何体的三视图可知该几何体由两个圆锥和一个圆柱构成，其中圆锥的底面半径和高均为1，圆柱的底面半径为1且其高为2，故所求几何体的体积为1 8V＝π×12×1×2＋π×12×2＝π.3 38答案：π39.如图，在三棱柱A1B1C1­ABC中，D，E，F分别是AB，AC，AA1的中点．设三棱锥F­ADE的体积为V1，三棱柱A1B1C1­ABC的体积为V2，则V1∶V2＝________. 解析：设三棱柱的底面ABC的面积为S，高为h，则其体积为V2＝Sh.因为D，E1分别为AB，AC的中点，所以△ADE的面积等于S.又因为F为AA1的中点，所以41 1 1 1 1 1三棱锥F­ADE的高等于h，于是三棱锥F­ADE的体积V1＝×S·h＝Sh＝V2，故V1∶V2＝2 3 4 2 24 241∶24.答案：1∶2410．(2016·太原模拟)已知在直角梯形ABCD中，AB⊥AD，CD⊥AD，AB＝2AD＝2CD＝2，将直角梯形ABCD沿AC折叠成三棱锥D­ABC，当三棱锥D­ABC的体积取最大值时，其外接球的体积为______．解析：作出直角梯形ABCD如图所示，过C作CE⊥AB于E，则CD＝AD＝1，AC＝2，故CE＝EB＝1，故CB＝2，故AC2＋BC2＝AB2＝4，即∠BCA＝90°；可知，当平面ADC⊥平面ABC时，三棱锥D­ABC 的体积最大，即为三棱锥B­ADC的体积最大，此时，将三棱锥B­ADC补成长方体，可知该长方1＋1＋2 4体的长、宽、高分别为1，1，2，故外接球的半径R＝＝1，故其外接球体积V＝πR32 34 ＝π.34答案：π3311.如图，在四边形ABCD中，∠DAB＝90°，∠ADC＝135°，AB＝5，CD＝2 2，AD＝2，求四边形ABCD绕AD旋转一周所成几何体的表面积及体积．解：由已知得：CE＝2，DE＝2，CB＝5，S 表面＝S圆台侧＋S圆台下底＋S圆锥侧＝π(2＋5)×51＋π×25＋π×2×2 2＝(60＋4 2)π，V＝V圆台－V圆锥＝(π·22＋π·5231 148＋22·52π2)×4－π×22×2＝π.3 31．(2016·石家庄质检)某几何体的三视图如图，若该几何体的所有顶点都在一个球面上，则该球的表面积为______．解析：由三视图知，该几何体为一个横放着的三棱柱，其底面是边长为2的正三角形，侧棱长为2，三棱柱两底面的中心连线的中点与三棱柱的顶点的连线就是外接球的半径，设其为r，2 3 27 7 2 28π则r＝(3 )＋12＝3，则球的表面积为S＝4πr2＝4π·(3 )＝.3 28π答案：32.一几何体按比例绘制的三视图如图所示(单位：m)：(1)试画出它的直观图； (2)求它的表面积和体积．解：(1)直观图如图所示．(2)由三视图可知该几何体是长方体被截去一个三棱柱，且该几何体的体积是以A1A，A1D1，A1B13为棱的长方体的体积的，4在直角梯形AA1B1B中，作BE⊥A1B1于E，则四边形AA1EB是正方形，AA1＝BE＝1，在Rt△BEB1中，BE＝1，EB1＝1，所以BB1＝2，所以几何体的表面积S＝S正方形ABCD＋S矩形A1B1C1D1＋2S梯形AA1B1B＋S矩形BB1C1C＋S正方形AA1D1D41＝1＋2×1＋2××(1＋2)×1＋1× 2＋12＝(7＋2)(m2)．3 3几何体的体积V＝×1×2×1＝(m3)．4 23所以该几何体的表面积为(7＋2)m2，体积为m3.23．如图1，在直角梯形ABCD中，∠ADC＝90°，CD∥AB，AB＝4，AD＝CD＝2，将△ADC沿AC 折起，使平面ADC⊥平面ABC，得到几何体D­ABC，如图2所示．(1)求证：BC⊥平面ACD；(2)求几何体D­ABC的体积．解：(1)证明：在题图1中，可得AC＝BC＝2 2，从而AC2＋BC2＝AB2，故AC⊥BC，取AC的中点O，连接DO，则DO⊥AC，又平面ADC⊥平面ABC，平面ADC∩平面ABC＝AC，DO平面ADC，从而DO⊥平面ABC，所以DO⊥BC，又AC⊥BC，AC∩DO＝O，所以BC⊥平面ACD.(2)由(1)可知，BC为三棱锥B­ACD的高，BC＝2 2，S△ACD＝2.1 所以V D­ABC＝V B­ACD＝S△ACD·BC31＝×2×2 234 2＝.35。