本题导读

本题考查球的内接几何体与球的体积公式,以及圆台的体积公式。

📌【题干】

Question

(1995年全国卷(理)) 已知圆台上、下底面圆周都在球面上,且下底面过球心,母线与底面所成的角为 ,则圆台的体积与球体积之比为 .

🔍【思路分析】

破题导航

截面化简:作过圆台轴线的平面拦截面。球心在圆台下底面圆心处,截面图形为一个半圆内接一个等腰梯形。 设定基本量:设球的半径为 。由于下底面过球心,圆台的下底面半径 。 关联上底半径与高:在轴截面(等腰梯形)中,利用母线与底面成 的条件,结合勾股定理,建立圆台上底面半径 、高 与球半径 的方程组。 计算体积比:利用圆台体积公式 和球体积公式 求出比值。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

作圆台的轴截面,如图所示,截面为一个等腰梯形内接于半径为 的大圆。 因为下底面过球心,所以下底面半径 。球心 恰好是下底面的中点。

设圆台的高为 ,上底面半径为 。 在轴截面中,从上底面圆周的一点向底面引垂线,构成一个直角三角形: 由于母线与底面所成的角为 ,则: 从而得到:

同时,上底面圆周上的点到球心 的距离等于球半径 。由勾股定理可得:

将①式代入②式中消去 : 两边同时除以 2 得: 因式分解得:

因为是圆台,上底面半径必须小于下底面半径,即 ,故 舍去。 所以:

将其代入①式求得圆台的高:

计算体积: 圆台的体积为:

球的体积为:

因此,圆台体积与球体积之比为:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:组合体的结构特征、旋转体的体积计算、空间图形的平面化转化。 核心方法:“轴截面法”。解决旋转体(圆柱、圆锥、圆台、球)的组合问题,最标准的突破口就是画出通过轴线的平面截面图,将空间问题转化为平面几何(直角三角形与圆)来处理。 避坑指南:

  • 求解一元二次方程时会得到两个根( 或 ),必须结合“圆台”的实际几何意义(上底小于下底)进行合理舍选。
  • 圆台体积公式中括号内是 ,中间项没有“2倍”,极易与完全平方公式混淆而导致算错。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:本题拓展自教材中关于球的接切问题以及圆台体积计算的常规习题。这类问题在高考中属于中档偏难的立体几何客观题,重在考查几何常量之间的代数关联。 结论推广: 若一个圆台内接于半径为 的球,且下底面过球心(即下底面半径 ),母线与底面所成角为 (),则其上底半径 与高 满足通用关系: 通过这个推广公式,可以在已知任意母线倾斜角的情况下,直接一步锁定向心几何特征,从而极大提升解决此类球体嵌套问题的速度。

🔗【关联脉络】

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