本题导读

本题考查球的截面性质,以及勾股定理与空间距离。

📌【题干】

Question

(2011年大纲卷(理))

已知平面 截一球面得圆 ,过圆心 且与 成 二面角的平面 截该球面得圆 . 若该球面的半径为 ,圆 的面积为 ,则圆 的面积为 ()

A.        B.        C.        D.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 从圆 的面积得出其半径 ,再利用勾股定理求出球心 到平面 的距离 。
  1. 球心 在 上的投影即为 ,且 。作 在 上的投影 ,。
  1. 利用平面 和 所成二面角为 ,结合过 点的情况( 构成的平面垂直于交线),求出 的长。
  1. 再次利用球的截面性质,根据 和球半径 求出圆 的半径 的平方,从而求出圆 的面积。

✅【答案】

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D

✍【详细解析】

Abstract

设球心为 ,半径 。

因为圆 的面积为 ,所以圆 的半径 。

球心 到平面 的距离 。

因为平面 过圆心 ,所以交线过 。

设平面 与平面 的交线为 。过 作 ,垂足为 。

作 于 。由于 ,,由三垂线定理及其逆定理易知 。

但此时已知 直接经过 ,即 在 上,因而 即为 与平面 的夹角余角,其相关的角度由二面角确定。

因为 ,所以平面 法向量为 。设平面 法向量为 。

两平面所成二面角为 ,因此 与 所成夹角为 (或 )。

在 中,(法线夹角等于平面夹角),且 。

所以 。

(说明: 在平面 内, 为球心到 的垂线, 为垂足。由于 , 与 所成角为 ,故在 中 ,等价。)

对于截面圆 ,其半径 满足 。

因此 。

圆 的面积为 。

故选 D

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:球的截面定理 、二面角与法向量夹角(或线面角)的关系。
  • 核心方法:构建球心与两截面圆心的直角三角形 。
  • 避坑指南:必须清楚平面所成的角 反映到三角形 中是 ,因为 和 分别是两平面的垂线。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:经典的立体几何截面与球心距关系的综合问题。
  • 结论推广:若平面 与平面 成二面角 ,且平面 过平面 上的圆心 ,则两平面截得圆心距 满足 。

🔗【关联脉络】

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