(完整版)外接球与内切球半径
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一丶外接球半径:
1.如上图,圆柱丶直三棱柱A 1B 1C 1-ABC 丶三棱锥A 1-ABC 丶四棱锥A 1- B 1C 1CB 的外接球都是同一个球,外接球半径均为:
R =√r 2+(ℎ2)2 其中:r 为圆柱底面半径,h 为圆柱的高。同时,圆柱两底面分别为△A 1B 1C 1和△ABC 的外接圆,由此可得出如下结论:
(1)圆柱的外接球半径为:
R =√r 2+(ℎ2
)2 其中:r 为圆柱底面半径,h 为圆柱的高。
(2)直三棱柱A 1B 1C 1-ABC 的外接球半径为
R =√r 2+(ℎ2
)2 其中:r 为三棱柱底面三角形外接圆半径,h 为棱柱的高。
A 1
B 1
C 1 A B
C
(3)有一条棱与底面垂直的三棱锥A1-ABC的外接球半径为:
R=√r2+(ℎ2 )2
其中:r为棱锥底面三角形外接圆半径,h 为与底面ABC 垂直的棱A 1A的长度。
(4)有一侧面与底面垂直(侧面A1B1C1⊥底面B1C1CB)且底面为矩形的四棱锥A1- B1C1CB的外接球半径为:
R=√r2+(ℎ2 )2
其中:r为棱锥中与底面垂直的侧面△A1B1C外接圆的半径,h为与侧面A1B1C1垂直的矩形的边BB1的长度。
注:三角形外接圆半径可由正弦定理推导,即
a sin A =
b
sin B
=
c
sin C
=2r
其中,r为三角形外接圆半径。
2.正三棱锥:以棱长为a的正三棱锥外接球半径推导为例:对于棱长为a的正三棱锥,其外接球如图:
过A作A O1⊥底面BCD,则O1为△BCD的外接圆
圆心,DE为BC边中线,且三棱锥圆心O在A O1
上。
在等边△BCD中,DE=√3
2
a
故DO1=2
3DE=√3
3
a
A
B
C
D
E
O
O1
在Rt△AD O1中,A O1=√AD2−DO12=√a2−(√3
3a)
2
=√6
3
a
因O为球心,故OD=OA=R 由DO12+OO12=DO2可得:
(√3
3
a)2+(
√6
3
a−R)2=R2
解得:R=√6
4
a
3.正四棱锥:正四棱锥的外接球球心也在底面正方形对角线交点与顶点连线上,同正三棱锥外接球球心半径推导过程。
可得:棱长为a的正四棱锥,其外接球半径为
R=√2 2
a
注:棱长为a的正四棱锥的高为√2
2
a,故正四棱锥的外接球球心即为底面正方形对角线交点。
4.长方体:长方体外接球的球心为其体对角线的中点
对于长宽高分别为a.b.c的长方体,其外接球半径为:
R=√a2+b2+c2
2
特别地:对于正方体,其长宽高均为a,故其外接球半径为
R=√3 2
a
注:对于一般几何体可建立直角坐标系,根据球心到各顶点距离相等建立方程组求解。
二丶内切球半径
1.正方体:
正方体内切球球心位于其体对角线中点处,对于边长为a的正方体,其内切球半径
R=a 2
2.正三棱锥:
正三棱锥内切球球心到各面距离均为R(R为内切球半径),故以内切球球心为顶点,各面为底面将其分成4个三棱锥。(其中3个以侧面为底的三棱锥体积相同,当棱长均为a时,分成的4个三棱锥体积均相同)对于边长为a的正三棱锥,各面均为边长为a的正三角形,内切球球心到各面距离均为R,故由分成的小三棱锥体积和等于正三棱锥体积可得:
1 3×S×R×4=
1
3
×S×ℎ
其中,S为正三棱锥各面面积,h为正三棱锥的高且h=√6
3
a
故R=√6
12
a
3.正四棱锥:
推导方法同正三棱锥内切球半径推导一样,以内切球球心为顶点,各面为底面将正四棱锥分成4个体积相等的三棱锥和一个四棱锥。(其中4个以侧面为底的三棱锥体积相同)
侧面面积为S1=1
2×a2×sin60°=√3
4
a2
底面面积为S2=a2
故由体积不变得:
1 3×S1×R×4+
1
3
×S2×R=
1
3
×S2×h
其中,h为正四棱锥的高,且h=√2
2
a
故R=√6−√2
4
a
4.直三棱柱:
直三棱柱内切球在底面投影为底面三角形的内切圆,故直三棱柱内切球半径R等于底面三角形内切圆半径r,又因为内切球到上下底面距离相等且都为R,故仅有满足h=2r的直三棱柱有内切球,其中,h为直三棱柱的高。
三角形内切圆半径求法如下:
如图,设三角形三边长分别为a.b.c,其内切圆圆心为
O,以O为顶点,3边为底边将其分成3个三角形,
由于O点到三边距离均为r,故三个三角形的高均为r,由面积不变得:
1
2
×(a+b+c)×r=S
故r=2S
(a+b+c)
其中,S为三角形面积。
5.圆柱:和直三棱柱类似,其内切球半径R等于底面半径r,且仅有满足高h=2r的圆柱有内切球。
O