本题导读

本题考查球的表面积公式与性质,以及解三角形。

📌【题干】

Question

(2004年福建卷(理)) 如图, 、 、 是表面积为 的球面上的三点,, , , 为球心,则直线 与截面 所成的角是 ()

A.        B.        C.        D.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 求球体的大圆半径 :利用球的表面积公式 ,直接解出球的半径 。
  2. 求解截面三角形 的外接圆半径 :
    • 首先在 中,已知两边 及其夹角 ,利用余弦定理求出对边 的长度。
    • 截面 截球面所得的小圆,即为 的外接圆。利用正弦定理的扩展形式 ,求出小圆的半径 。
  3. 构造直角三角形求解线面角:
    • 设截面小圆的圆心为 ,连接 ,根据球的对称性可知 截面 。
    • 连接 ,则 ,且 即为直线 与截面 所成的角 。
    • 在直角 中,斜边 ,邻边 。利用余弦函数定义式 即可锁定最终答案。

✅【答案】

Success

D

✍【详细解析】

Abstract

第一步:计算球的半径 已知球的表面积为 ,设球的半径为 。根据球的表面积公式:

第二步:计算截面 的外接圆半径 在截面 中,已知 ,,。 根据余弦定理,求对边 的平方: 所以:

截面 截球面所得的截面小圆圆心设为 ,则该圆即为 的外接圆,设其半径为 。 根据正弦定理,有:

第三步:求直线 与截面 所成角 因为 为球心, 为截面圆的圆心,根据球的固有性质,轴心连线垂直于截面: 连接 ,则 是直线 在截面 上的正交射影。 因此,直线 与截面 所成的角严格对应着直角三角形中的锐角:

在直角 中, : 斜边(球半径) , 邻边(小圆半径) 。 根据锐角三角函数的余弦定义: 结合反三角函数的表达规则,可得线面角 为:

故选 D

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:球性质中“球心、截面圆心、球面上点”构成的核心直角三角形 的建立(满足关系 );正弦定理在求解平面截面外接圆半径中的基础映射;线面角的射影几何判定。
  2. 核心方法:核心直角三角形勾股降维法、正弦定理边角转换法。
  3. 避坑指南:
    • 混淆反三角函数的正弦与余弦形态导致错选C:本题利用邻边与斜变之比直接算出的是 。部分学生由于马虎,直接套用 从而错选 C。若要用正弦表示,需先通过勾股定理求出对边 ,则 ,选项中并无此项。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题是考查空间立体几何度量(球体图形特征)的大纲压轴选择题,属于中高难度常规题。
  2. 结论推广: 半径为 的球被平面所截,若截面圆半径为 ,球心到截面距离为 ,则 。

🔗【关联脉络】

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