本题导读
本题考查正四棱柱外接球性质及球面距离的计算。核心在于利用正四棱柱的体对角线求出外接球半径,再通过弦 与球心的几何关系求出球心角,最后利用弧长公式求解球面距离。
📌【题干】
Question
(2007年福健卷(理)) 顶点在同一球面上的正四棱柱 中,,,则 两点间的球面距离为()
A. B. C. D.
🔍【思路分析】
破题导航
- 求外接球半径 :
- 正四棱柱的底面边长为 ,高为 。
- 体对角线长 。
- 外接球的直径等于体对角线长,即 。
- 求弦长 :底面是正方形,边长为 1,其对角线 。
- 求球心角 :
- 在 中, , 。
- 因为 ,所以 是等腰直角三角形,球心角 。
计算球面距离:球面距离即为大圆弧长 。
✅【答案】
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B
✍【详细解析】
Abstract
解:设正四棱柱外接球的球心为 ,半径为 。 因为正四棱柱的各个顶点都在该球面上,所以其体对角线 恰好为外接球的直径。 依据空间体对角线公式计算直径长度:
在正四棱柱的底面正方形 中,边长 ,求得底面对角线 的长度:
考虑由球心 与球面上的点 构成的三角形 。 明显有 。 在 中,三边长分别为 ,满足: 根据勾股定理逆定理可知, 是以球心 为直角顶点的直角三角形, 即 两点相对于球心的球心角为:
根据球面距离的数理定义,两点间的球面距离即为经过这两点的大圆劣弧长:
故选:B。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:直棱柱体对角线与球直径的映射关系( )、球面距离公式 。
- 核心方法:大圆剖面分析法。
- 避坑指南:
- 很多同学分不清“空间直线距离”与“球面距离”的区别, 错选成 的长度 。球面距离必须是在球面上走大圆弧的长度, 牢记通过“求半径 求弦长 求中心角 算弧长”的四步死程序求解。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:正四棱柱的外接球、球面距离是福健卷(理)选择题/填空题的常考角度,同型题见下方类题演练。 结论推广:本题落点是正四棱柱的外接球、球面距离的核心结论,解题时先明确其定义与适用条件,再代值计算。 方法推广:采用外接球半径转化法、大圆弧长计算法,注意先判断题型特征再选择对应方法,避免生搬硬套。
🔗【关联脉络】
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