本题导读

本题考查球的结构特征与截面圆的几何关系。核心在于把两条动弦抽象为球内两个截面圆上的弦,通过中点的轨迹与圆心距关系判断命题真伪。

📌【题干】

Question

(2008年江西卷(理)) 连结球面上两点的线段称为球的弦. 半径为 的球的两条弦 、 的长度分别等于 、,、 分别为 、 的中点,每条弦的两端都在球面上运动,有下列四个命题:①弦 、 可能相交于点 ;②弦 、 可能相交于点 ;③ 的最大值为 ;④ 的最小值为 . 其中真命题的个数为 ()

A. 个    B. 个    C. 个    D. 个

🔍【思路分析】

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  1. 由弦长和弦中点,反求球心到弦所在截面圆的距离(弦心距)。
  2. 将两条弦的中点 、 视为两个同心圆(以球心为圆心的截面圆)上的动点,分析其轨迹。
  3. 由两圆半径与圆心距判断 、 的最近距离与最远距离,并逐一验证四个命题的真伪。

✅【答案】

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C

✍【详细解析】

Abstract

设球的半径为 ,球心为 。

对弦 :弦长 ,由弦长公式 ,得 即球心 到弦 所在截面圆的距离为 ,故 在以 为圆心、半径 的截面圆上运动,且 。

对弦 :弦长 ,同理 故 在以 为圆心、半径 的截面圆上运动,且 。

由于 、 分别位于两个确定的同心圆(半径 与 )上,且这两个圆可能不在同一平面内,但 、 的长度分别固定为 、。由三角形不等式与向量关系,、 的距离 满足: 且 可在 内取得任意值(通过调节两弦所在平面的二面角)。

逐一验证命题:

  • 命题①「弦 、 可能相交于点 」: 是弦 的中点,满足 。弦 的弦心距为 ,故弦 上任意一点到球心 的距离在 之间,而 落在该区间内,因此可构造出 落在弦 上的情形,命题为真。
  • 命题②「弦 、 可能相交于点 」: 是弦 的中点,满足 。弦 的弦心距为 ,故弦 上任意一点到球心 的距离在 之间,而 ,不在该区间内,因此 不可能落在弦 上,命题为假。
  • 命题③「 的最大值为 」:两中点 、 到球心的距离分别恒为 、,由向量模不等式 ,且可调节两弦所在平面的夹角取到等号,命题为真。
  • 命题④「 的最小值为 」:由 ,且可构造出 、、 共线同侧的情形取到等号,命题为真。

综上,真命题为 ①、③、④,共 个。

正确答案为:C

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:球的截面圆性质;弦长、弦心距、截面圆半径三者的勾股关系;立体几何中动点轨迹的分析。
  2. 核心方法:截面分析法——把球内动弦问题降维为截面圆上的动弦问题。
  3. 避坑指南:弦心距 、截面圆半径 、球半径 满足 ,务必先由弦长反解弦心距,切勿直接目测。判断两动点 、 的距离范围时,用 的向量模不等式。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 源自教材中球与截面圆的性质,是球内动弦问题的高频考查角度。
  2. 结论推广: 若半径为 的球内两条弦长分别为 、,其弦心距分别为 、,则两弦中点距离 的取值范围为 。

🔗【关联脉络】

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