球的体积和表面积

 球的体积和表面积[学习目标] 1.记准球的表面积和体积公式，会计算球的表面积和体积.2.能解决与球有关的组合体的计算问题.知识点一 球的体积公式与表面积公式1.球的体积公式V＝πR3(其中R为球的半径).2.球的表面积公式S＝4πR2.思考 球有底面吗？球面能展开成平面图形吗？答 球没有底面，球的表面不能展开成平面.知识点二 球体的截面的特点1.球既是中心对称的几何体，又是轴对称的几何体，它的任何截面均为圆，它的三视图也都是圆.2.利用球半径、截面圆半径、球心到截面的距离构建直角三角形是把空间问题转化为平面问题的主要途径.题型一 球的表面积和体积例1 (1)已知球的表面积为64π，求它的体积；(2)已知球的体积为π，求它的表面积.解 (1)设球的半径为R，则4πR2＝64π，解得R＝4，所以球的体积V＝πR3＝π·43＝π. (2)设球的半径为R，则πR3＝π，解得R＝5，所以球的表面积S＝4πR2＝4π×52＝100π.跟踪训练1 一个球的表面积是16π，则它的体积是(  )A.64πB.C.32πD.答案 D解析 设球的半径为R，则由题意可知4πR2＝16π，故R＝2.所以球的半径为2，体积V＝πR3＝π.题型二 球的截面问题例2 平面α截球O的球面所得圆的半径为1.球心O到平面α的距离为，则此球的体积为(  )A.πB.4πC.4πD.6π答案 B解析 如图，设截面圆的圆心为O′，M为截面圆上任一点，则OO′＝，O′M＝1.∴OM＝＝.即球的半径为.∴V＝π()3＝4π.跟踪训练2 已知长方体共顶点的三个侧面面积分别为，，，则它的外接球表面积为________. 答案 9π解析 如图，是过长方体的一条体对角线AB的截面，设长方体有公共顶点的三条棱的长分别为x，y，z，则由已知，得解得所以球的半径R＝AB＝＝，所以S球＝4πR2＝9π.题型三 球的组合体与三视图例3 某个几何体的三视图如图所示，求该几何体的表面积和体积.解 由三视图可知该几何体的下部是棱长为2的正方体，上部是半径为1的半球，该几何体的表面积为S＝×4π×12＋6×22－π×12＝24＋π.该几何体的体积为V＝23＋×π×13＝8＋.跟踪训练3 有三个球，第一个球内切于正方体，第二个球与这个正方体各条棱相切，第三个球过这个正方体的各个顶点，求这三个球的表面积之比.解 设正方体的棱长为a.①正方体的内切球球心是正方体的中心， 切点是正方体六个面的中心，经过四个切点及球心作截面，如图(1)所示，则有2r1＝a，即r1＝，所以S1＝4πr＝πa2.②球与正方体的的各棱的切点在每条棱的中点，过球心作正方体的对角面得截面，如图(2)所示，则2r2＝a，即r2＝a，所以S2＝4πr＝2πa2.③正方体的各个顶点在球面上，过球心作正方体的对角面得截面，如图(3)所示，则有2r3＝a，即r3＝a，所以S3＝4πr＝3πa2.综上可得S1∶S2∶S3＝1∶2∶3.轴截面的应用 例4 有一个倒圆锥形容器，它的轴截面是一个正三角形，在容器内部放一个半径为r的铁球，并注入水，使水面没过铁球和球正好相切，然后将球取出，求这时容器中水的深度.分析 分别表示出取出铁球前后水的体积→由水的体积不变建立等式→求出所求量.解 如图，⊙O是球的最大截面，它内切于△ABC，球的半径为r.设将球取出后，水平面在MN处，MN与CD交于点E.则DO＝r，AD＝r，AB＝AC＝BC＝2r，∴CD＝3r.由图形知V圆锥CE∶V圆锥CD＝∶＝CE3∶CD3.又∵V圆锥CD＝(r)2·3r＝3πr3，V圆锥CE＝V圆锥CD－V球O＝3πr3－πr3＝πr3，∴∶3πr3＝CE3∶(3r)3，∴CE＝r.∴球从容器中取出后，水的深度为r.1.直径为6的球的表面积和体积分别是(  )A.36π，144πB.36π，36πC.144π，36πD.144π，144π2.若球的体积与其表面积数值相等，则球的半径等于(  ) A.B.1C.2D.33.两个半径为1的实心铁球，熔化成一个球，这个大球的半径是________.4.若球的半径由R增加为2R，则这个球的体积变为原来的________倍，表面积变为原来的________倍.5.某几何体的三视图如图所示，则其表面积为________.一、选择题1.设正方体的表面积为24，那么其外接球的体积是(  )A.πB.C.4πD.32π2.一个正方体的八个顶点都在半径为1的球面上，则正方体的表面积为(  )A.8B.8C.8D.43.两个球的半径之比为1∶3，那么两个球的表面积之比为(  )A.1∶9B.1∶27C.1∶3D.1∶14.设正方体的表面积为24cm2，一个球内切于该正方体，那么这个球的体积是(  )A.πcm3B.πcm3C.πcm3D.πcm3 5.若与球外切的圆台的上、下底面半径分别为r，R，则球的表面积为(  )A.4π(r＋R)2B.4πr2R2C.4πRrD.π(R＋r)26.已知底面边长为1，侧棱长为的正四棱柱的各顶点均在同一球面上，则该球的体积为(  )A.B.4πC.2πD.π7.如图，有一个水平放置的透明无盖的正方体容器，容器高8cm，将一个球放在容器口，再向容器内注水，当球面恰好接触水面时测得水深为6cm，如果不计容器厚度，则球的体积为(  )A.cm3B.cm3C.cm3D.cm3二、填空题8.一个几何体的三视图(单位：m)如图所示，则该几何体的体积为________m3.9.已知一个正方体的所有顶点在一个球面上.若球的体积为，则正方体的棱长为_____.10.正四棱锥的顶点都在同一球面上，若该棱锥的高为4，底面边长为2，则该球的表面积是________.11.圆柱形容器内盛有高度为8 cm的水，若放入三个相同的球(球的半径与圆柱的底面半径相同)后，水恰好淹没最上面的球(如图所示)，则球的半径是______cm.三、解答题12.如图所示，半径为R的半圆内的阴影部分以直径AB所在直线为轴，旋转一周得到一几何体，求该几何体的表面积.(其中∠BAC＝30°)13.一个高为16的圆锥内接于一个体积为972π的球，在圆锥内又有一个内切球，求：(1)圆锥的侧面积；(2)圆锥的内切球的体积.当堂检测答案 1.答案 B解析 球的半径为3，表面积S＝4π·32＝36π，体积V＝π·33＝36π.2.答案 D解析 设球的半径为R，则4πR2＝πR3，所以R＝3.3.答案 解析 设大球的半径为R，则有πR3＝2×π×13，R3＝2，∴R＝.4.答案 8 4解析 球的半径为R时，球的体积为V1＝πR3，表面积为S1＝4πR2，半径增加为2R后，球的体积为V2＝π(2R)3＝πR3，表面积为S2＝4π(2R)2＝16πR2.所以＝＝8，＝＝4，即体积变为原来的8倍，表面积变为原来的4倍.5.答案 3π解析 由三视图可知，该几何体为一个半径为1的半球，其表面积为半个球面面积与截面面积的和，即×4π＋π＝3π.课时精练一、选择题 1.答案 C解析 由题意可知，6a2＝24，∴a＝2.设正方体外接球的半径为R，则a＝2R，∴R＝，∴V球＝πR3＝4π.2.答案 A解析 ∵球的半径为1，且正方体内接于球，∴球的直径即为正方体的对角线，即正方体的对角线长为2.不妨设正方体的棱长为a，则有3a2＝4，即a2＝.∴正方体的表面积为6a2＝6×＝8.3.答案 A解析 由表面积公式知，两球的表面积之比为R∶R＝1∶9.4.答案 D解析 由正方体的表面积为24cm2，得正方体的棱长为2cm，故这个球的直径为2cm，故这个球的体积为πcm3.5.答案 C解析 方法一 如图，设球的半径为r1，则在Rt△CDE中，DE＝2r1，CE＝R－r，DC＝R＋r.由勾股定理得4r＝(R＋r)2－(R－r)2，解得r1＝.故球的表面积为S球＝4πr＝4πRr.方法二 如图，设球心为O，球的半径为r1，连接OA，OB，则在Rt△AOB中，OF是斜边AB上的高.由相似三角形的性质得OF2＝BF·AF＝Rr，即r＝Rr，故r1＝，故球的表面积为S球＝4πRr.6.答案 D解析 ∵正四棱柱的底面边长为1，侧棱长为，∴正四棱柱的体对角线的长为 ＝2.又∵正四棱柱的顶点在同一球面上，∴正四棱柱体对角线恰好是球的一条直径，∴球的半径R＝1.故球的体积为V＝πR3＝π.7.答案 A解析 利用球的截面性质结合直角三角形求解.如图，作出球的一个截面，则MC＝8－6＝2(cm)，BM＝AB＝×8＝4(cm).设球的半径为Rcm，则R2＝OM2＋MB2＝(R－2)2＋42，∴R＝5，∴V球＝π×53＝(cm3).二、填空题8.答案 9π＋18解析 将三视图还原为实物图后求解.由三视图知，几何体下面是两个球，球半径为；上面是长方体，其长、宽、高分别为6、3、1，所以V＝π××2＋1×3×6＝9π＋18.9.答案 解析 先求出球的半径，再根据正方体的体对角线等于球的直径求棱长.设正方体棱长为a，球半径为R，则πR3＝π，∴R＝，∴a＝3，∴a＝.10.答案 π解析 由已知条件可知，球心在正四棱锥的高所在的直线上.设球的半径为R，球心为O ，正四棱锥底面中心为E，则OE＝|4－R|，所以(4－R)2＋()2＝R2，解得R＝.所以球的表面积S＝4πR2＝.11.答案 4解析 设球的半径为r，则圆柱形容器的高为6r，容积为πr2×6r＝6πr3，高度为8cm的水的体积为8πr2,3个球的体积和为3×πr3＝4πr3，由题意得6πr3－8πr2＝4πr3，解得r＝4(cm).三、解答题12.解 如图所示，过C作CO1⊥AB于O1.在半圆中可得∠BCA＝90°，∠BAC＝30°，AB＝2R，∴AC＝R，BC＝R，CO1＝R，∴S球＝4πR2，＝π×R×R＝πR2，＝π×R×R＝πR2，∴S几何体表＝S球＋＋＝πR2＋πR2＝πR2.故旋转所得几何体的表面积为πR2. 13.解 (1)如图作轴截面，则等腰三角形CAB内接于⊙O，⊙O1内切于△ABC.设⊙O的半径为R，由题意，得πR3＝972π，所以R3＝729，R＝9，所以CE＝18.已知CD＝16，所以ED＝2.连接AE，因为CE是直径，所以CA⊥AE，所以CA2＝CE·CD＝18×16＝288，所以CA＝12，因为AB⊥CD，所以AD2＝CD·DE＝16×2＝32，所以AD＝4，S圆锥侧＝π×4×12＝96π.(2)设内切球O1的半径为r，因为△ABC的周长为2×(12＋4)＝32，所以S△ABC＝r·32＝×8×16，解得r＝4，所以内切球O1的体积V球＝πr3＝π.