| 6.6.3 球的表面积与体积 题目答案及解析

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必修二

第六章 立体几何初步

6.6 简单几何体的再认识

6.6.3 球的表面积与体积

在四棱锥$P-ABCD$中,底面$ABCD$为正方形,$PA=AB=1$$M$为空间中一动点,$G$$PC$的中点,$PA\bot $平面$ABCD$.若$\overrightarrow{MA}\cdot \overrightarrow{MG}=0$,则$M$的轨迹围成封闭图形的体积为                  ;若$PC$与平面$PBA$所成的角等于$\angle AMG$,则平面$PBD$$M$的轨迹的交线长为                  .

[["$\\dfrac{\\sqrt{3}\\pi }{16}$","$\\dfrac{\\sqrt{78}+3\\sqrt{6}}{6}\\pi $"]]

$\because \overrightarrow{MA}\cdot \overrightarrow{MG}=0$$\therefore M$在以$AG$为直径的球面上,
$\therefore AG=\dfrac{1}{2}PC=\dfrac{1}{2}\sqrt{1+2}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$$\therefore $球的半径$R=\dfrac{\sqrt{3}}{4}$
$\therefore M$的轨迹围成封闭图形的体积为$V=\dfrac{4}{3}\pi \cdot \dfrac{3}{16}\times \dfrac{\sqrt{3}}{4}=\dfrac{\sqrt{3}\pi }{16}$
$PC$与平面$PBA$所成的角为$\angle CPB$$\therefore \tan \angle AMG=\tan \angle CPB=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
$\therefore \sin \angle AMG=\dfrac{\sqrt{3}}{3}=\sin \theta $,且$AG\bot $平面$PBD$$A$到直线$PBD$的距离为$\dfrac{\sqrt{3}}{3}$
$\angle AMG$为确定的锐角,$M$$A$$G$张角为定值,
$\therefore M$的轨迹为以$AG$为弦的球的上,下方合着的球冠,设球心为$O$
连接$OA$$OG$,过$O$$ON\bot AG$于点$N$

$\odot O_{2}$为平面$PBD$截球$O$的面,$AG\bot \odot O_{2}$交于$Q$点,
$\therefore NG=\dfrac{1}{2}AG=\dfrac{\sqrt{3}}{4}$$NQ=\dfrac{\sqrt{3}}{3}-\dfrac{\sqrt{3}}{4}=\dfrac{\sqrt{3}}{12}=OO_{2}$
设平面$PBD$$M$的轨迹交线一侧所在圆$O_{2}$半径为$r$
而大球$O$半径$R=\dfrac{NG}{\sin\theta}=\dfrac{\sqrt{3}}{4}\cdot\sqrt{3}=\dfrac{3}{4}$$\therefore r=\sqrt{\dfrac{9}{16}-(\dfrac{\sqrt{3}}{12})^{2}}=\sqrt{\dfrac{13}{24}}$
$O_{2}O=ON=\dfrac{\sqrt{6}}{4}$
$\therefore $轨迹的交线长为:$\pi (\sqrt{\dfrac{13}{24}}+\dfrac{\sqrt{6}}{4})\cdot 2=\dfrac{\sqrt{78}+3\sqrt{6}}{6}\pi $.
故答案为:$\dfrac{\sqrt{3}\pi }{16}$$\dfrac{\sqrt{78}+3\sqrt{6}}{6}\pi $.

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