| 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

已知棱长相等的正三棱锥$P-ABC$底面的三个顶点$A,B,C$均在以$O$为球心的球面上(其中$O$$\triangle ABC$的中心),球面与棱$PA,PB,PC$分别交于点${{A}_{1}},{{B}_{1}},{{C}_{1}}$.若球$O$的表面积为$12\pi$,则多面体${{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}-ABC$的体积为                 

[["$\\dfrac{13\\sqrt[{}]{2}}{6}/\\dfrac{13}{6}\\sqrt[{}]{2}$"]]

设球$O$的半径为$R$,由$4\pi{{R}^{2}}=12\pi$,得$R=\sqrt{3}$

依题意,三棱锥$P-ABC$为正四面体,且$AO=R$

设正四面体的棱长为$a$.在等边三角形$ABC$中,

由正弦定理可得$\dfrac{a}{\sin \dfrac{\pi}{3}}=2R$,即$\dfrac{a}{\dfrac{\sqrt{3}}{2}}=2\sqrt{3}$,解得$a=3$

$\because PO\perp $平面$ABC$$AO\subset $平面$ABC$

$\therefore PO\perp AO$

$\therefore PO=\sqrt{P{{A}^{2}}-A{{O}^{2}}}=\sqrt{{{a}^{2}}-{{R}^{2}}}=\sqrt{{{3}^{2}}-{{(\sqrt{3})}^{2}}}=\sqrt{6}$

$O H \perp P A$,垂足为$H$,在$\text{Rt}\triangle PAO$中,由$OH\cdot PA=PO\cdot AO$

$OH=\dfrac{PO\cdot AO}{PA}=\dfrac{\sqrt{6}\cdot \sqrt{3}}{3}=\sqrt{2}$

$\therefore $$\text{Rt}\triangle AHO$中,$AH=\sqrt{A{{O}^{2}}-O{{H}^{2}}}=\sqrt{{{(\sqrt{3})}^{2}}-{{(\sqrt{2})}^{2}}}=1$

$\because OA=O{{A}_{1}}=R$$O H \perp P A$

$\therefore H$为线段$A{{A}_{1}}$的中点,

$\therefore A{{A}_{1}}=2AH=2$

$\therefore P{{A}_{1}}=1$

依题意,多面体${{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}-ABC$为正三棱台,

$\therefore\dfrac{V_{P-A_1B_{1}C_{1}}}{V_{P-ABC}}=\left( \dfrac{PA_{1}}{PA}\right)^{3}=\dfrac{1}{27}$,即$V_{P-A_1B_{1}C_{1}}=\dfrac{1}{27}V_{P-ABC}$

${{V}_{P-ABC}}=\dfrac{1}{3}{{S}_{\triangle ABC}}\cdot PO=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{\sqrt{3}}{4}\times 9\times \sqrt{6}=\dfrac{\text{9}\sqrt{2}}{4}$

$\therefore $ 正三棱台${{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}-ABC$的体积为$V_{P-ABC}-V_{P-A_1B_{1}C_{1}}=\dfrac{26}{27}V_{P-ABC}=\dfrac{13\sqrt{2}}{6}$

故答案为:$\dfrac{13\sqrt{2}}{6}$

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