本题导读

本题考查多面体外接球的几何性质与计算。核心意图在于测试学生利用球的体积公式求出球的半径,并将点 到底面等边三角形 的相对空间位置抽象为正三棱锥外接球拓扑模型,通过构造勾股定理方程组精确求解底面外接圆半径,进而算出底面三角形的面积。

📌【题干】

Question

(2026年新高考II卷)已知球 的体积为 , 四点均在球 的球面上, 为等边三角形, ,则 的面积为 .

🔍【思路分析】

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  1. 第一步逻辑(求球半径 ):利用球的体积公式 ,求出球 的半径 。
  2. 第二步逻辑(构建正三棱锥外接球截面模型):
  • 因为 ,且 为等边三角形,所以几何体 是一个标准的正三棱锥。
  • 设 的外接圆圆心为 ,其外接圆半径为 。根据正三棱锥的对称性,顶点 、底面中心 以及球心 必然三点共线,且直线 底面 。
  1. 第三步逻辑(利用勾股定理联立消元):
  • 设正三棱锥的高 。在直角三角形 中,有 (即球、底面圆与球心的核心直角三角形关系)。
  • 同时,由于 在同一条垂直轴线上,球心 到底面的距离为 或 。
  • 分别在 中利用侧棱长构成 ;在 中利用球半径构成 。联立两方程求出 ,进而求出等边三角形的面积。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

由球的体积公式,,解得 ,设 的外心为 ,连接 ,

由题意知 为该三棱锥的高,所以该三棱锥的外接球的球心 在 上,

不妨设 在线段 上,连接 ,

设 的边长为 ,由正弦定理可得,,

再设 ,由题意知,

解得 (负值表示球心 在线段 的延长线上,实际情况如右图),

所以 ,由三角形面积公式,.

【答案】

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心 考点:球体积公式的逆向求解;正三棱锥外接球的“双勾股定理解轴向截面”消元模型。
  2. 核心 方法:构造直角三角形法。
  3. 避坑指南:
  • 球心位置主观绝对化陷阱:部分学生在画轴截面时,会盲目认为球心 必须落在底面三角形的内部或者正三棱锥的内部,从而在写勾股定理时死记硬背 且主观限制 。利用绝对值或平方项展开 ,其代数展开式完全独立于球心的内外位置,直接统一计算可完美规避空间想象带来的分类讨论负担。

📖【试题探源与推广】

Tip

本题是正三棱锥外接球的经典填空题:由球的体积反求半径 ,再以”轴截面直角三角形”(高、底面外接圆半径、球半径)联立勾股消元,是立体几何几何体外接球板块的高频压轴题型。

一般地,正三棱锥(侧棱 ,底面外接圆半径 ,高 )的外接球半径满足 ,解得 ;球心可能落在锥体内部、底面上或锥体外,需按 与 的大小关系分段讨论。

外接球问题的通法是”定轴心、列勾股”:先找旋转对称轴(正棱锥的顶点与底面中心连线),再用侧棱、球半径构成的两个直角三角形联立消元;对特殊几何体可用补形法(还原为正方体、圆锥等)直接定位球心。

🔗【关联脉络】

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