2022 新高考Ⅱ卷 - 第07题 (单选题)

正棱台外接球与截面勾股定理
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 正三角形外接圆半径公式: 边长为 \( a \) 的正三角形外接圆半径为 \( r = \frac{a}{2\sin 60^\circ} = \frac{a}{\sqrt{3}} \)。
  • 球的截面圆性质与球表面积: 球心到截面距离为 \( d \),截面圆半径为 \( r \),则 \( R^2 = r^2 + d^2 \);球表面积 \( S = 4\pi R^2 \)。

7. 已知正三棱台的高为 1,上、下底面边长分别为 \( 3\sqrt{3} \) 和 \( 4\sqrt{3} \),其顶点都在同一球面上,则该球的表面积为 (  )

  • A. \( 100\pi \)
  • B. \( 128\pi \)
  • C. \( 144\pi \)
  • D. \( 192\pi \)
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思路与规范推导

破题思路全景图

正弦定理算上下底面外接圆半径:r₁ = 3√3/√3 = 3,r₂ = 4√3/√3 = 4
设球心到下底面距离为 d,则到上底面距离为 d + 1(球心在同一侧)
勾股定理列关于 R 的方程:R² = 3² + (d + 1)² = 4² + d²
展开 9 + d² + 2d + 1 = 16 + d² 解出 d = 3,求出 R² = 25
代入球表面积公式:S = 4πR² = 4π × 25 = 100π 锁定 A

最优解法深度剖析

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【解析详解】

第一步:求正三棱台上下两底面外接圆半径 \( r_1, r_2 \)。

由正三角形性质,外接圆半径等于边长除以 \( \sqrt{3} \):

\[ r_1 = \frac{3\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = 3, \quad r_2 = \frac{4\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = 4 \]

第二步:判断球心与底面的空间相对位置。

设外接球半径为 \( R \)。易知球心在三棱台的高所在直线上。

设球心到下底面的垂直距离为 \( d \),因为 \( r_1 = 3 < r_2 = 4 \),且棱台高为 1,故球心与两底面位于同侧,球心到上底面的距离为 \( d + 1 \)。

由截面圆勾股定理:

\[ R^2 = r_1^2 + (d + 1)^2 = 3^2 + (d + 1)^2 \]
\[ R^2 = r_2^2 + d^2 = 4^2 + d^2 \]

两式相等:

\[ 9 + d^2 + 2d + 1 = 16 + d^2 \implies 2d + 10 = 16 \implies 2d = 6 \implies d = 3 \]

第三步:计算球半径与表面积。

\[ R^2 = 4^2 + 3^2 = 16 + 9 = 25 \implies R = 5 \]

代入球表面积公式:

\[ S = 4\pi R^2 = 4\pi \times 25 = 100\pi \]

故选 A

干扰项排雷

误选 C 或 D: 误将半径平方套入体积公式或表面积漏乘系数 4。

误选 B: 误设球心在两底面之间列出 \( d_1 + d_2 = 1 \),导致算出的距离为负数而陷入迷茫。

最终答案核对

解析阅读完毕,点击核对最终答案
正确答案:A

核心模型与结论

几何体外接球“截面双勾股联立消元”模型:遇到台体/柱体外接球,抓两个底面的平行截面圆半径 \( r_1, r_2 \),由 \( R^2 = r_1^2 + d_1^2 = r_2^2 + d_2^2 \) 与 \( |d_1 \pm d_2| = h \) 联立秒杀!

易错警示与避坑

球心位置方向判断!若设在中间得 \( d_1 + d_2 = 1 \implies d_1^2 - d_2^2 = r_2^2 - r_1^2 = 7 \implies d_1 - d_2 = 7 \),相加 \( d_1 = 4 > 1 \),说明球心必在外部!

高分技法与秒杀

勾股数口算秒杀:底面半径一个 3、一个 4,高为 1。联想到经典勾股数 3-4-5,当距离为 4 和 3 时,恰好 \( 3^2 + 4^2 = 5^2 \),高度差 \( 4 - 3 = 1 \) 完美吻合!直接得出 \( R = 5 \),面积 \( 4\pi \times 25 = 100\pi \),20 秒手撕 A!

诊断与进阶指南

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