本题导读

本题考查三棱锥的外接球,以及外接球球心的确定方法。

📌【题干】

Question

(2023年乙卷文)已知点 均在半径为 2 的球面上, 是边长为 3 的等边三角形,,则 _______.

🔍【思路分析】

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  1. 分析底面外接圆几何量:底面 是边长为 3 的等边三角形。利用正弦定理可求出底面外接圆的半径 。
  2. 构建空间球心模型:
  • 设球心为 ,球半径 。
  • 过底面 的外心 作底面的垂线 ,则球心 必在垂线 上。
  • 易知 。过 的中点 作 的垂线(即 的中垂面),该面与 的交点即为球心 。
  1. 建立勾股方程求解:
  • 由构造可知四边形 为矩形,故 , 。
  • 在直角三角形 中,利用勾股定理 (其中 ),求出 ,进而根据 算出结果。

✅【答案】

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2

✍【详细解析】

Abstract

设球心为 ,外接球半径 。底面等边 的外心为 ,外接圆半径为 。 在边长为 3 的等边 中,由正弦定理满足: 即 。

过 作平面 的垂线,由球的对称性可知,球心 必在此垂线上。 因为已知 ,所以 。

取 的中点为 ,连接 。根据球的性质,球心与弦中点的连线垂直于该弦,故 。 因为 ,所以 。 由 可知 。 因此,四边形 为矩形。

根据矩形的对边相等性质:

连接球心与顶点 ,则 。 在 Rt 中,由勾股定理可得:

因为 ,所以 。 由于 为 的中点,可得侧棱长为:

填空题答案为:2。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:三棱锥外接球半径公式、等边三角形外接圆半径计算、空间直角结构转化。
  2. 核心方法:中心平移构造法(直角三角形轴向运算法)。利用球心到各顶点距离相等,转化为 经典模型进行代数求解。
  3. 避坑指南:
  • 底面圆半径算错:易将等边三角形的外接圆半径 错算为内切圆半径 或中线长 。
  • 空间位置关系混淆:必须严格依据矩形性质转换 ,防止因空间想象不准看错直角三角形的边长。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题源于人教A版高中数学必修第二册第八章《立体几何初步》中关于多面体与球组合体的提升训练。属于经典的“一条侧棱垂直于底面”的三棱锥外接球通用结构考查。
  2. 结论推广:
  • 直棱柱/特殊棱锥外接球通用公式:若三棱锥(或四棱锥)有一条侧棱垂直于底面,或者该几何体属于直棱柱的一部分,设底面外接圆半径为 ,垂直于底面的高/侧棱长为 ,外接球半径为 。
  • 几何体各顶点到球心的距离恒满足统一方程关系:
  • 本题中 ,高 。直接代入推广公式验证:。掌握该通式,遇到同类外接球问题可免去画图和线面垂直证明,直接列代数方程求解。

🔗【关联脉络】

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