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正三棱錐的內(nèi)切球與外接球

 左勤高考數(shù)學(xué) 2020-07-08

要回答這個(gè)問題,,先要了解什么是正三棱錐.

請(qǐng)看正三棱錐的定義.

1.底面是正三角形

2.頂點(diǎn)在底面的射影是底面三角形的中心.

滿足以上兩條的三棱錐是正三棱錐.

由以上定義可知,正三棱錐底面為正三角形,,三個(gè)側(cè)面是全等的等腰三角形.

要防止和另外一個(gè)概念----正四面體混淆.

正四面體的要求比正三棱錐更要.每個(gè)面都是正三角形的四面體才是正四面體.我們可以說,,正四面體是特殊的正三棱錐,正三棱錐具備的性質(zhì)正四面體都有,,而正四面體具備的性質(zhì)正三棱錐不一定有.


下面來說如何尋找正三棱錐的內(nèi)切球和外接球球心.

棱柱和棱錐的外接球中,,談到了一種方法,,就是把符合條件的棱錐和棱柱放入長(zhǎng)方體中,從而把問題轉(zhuǎn)化,、簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體的外接球的問題.

這是處理問題的方法之一.

適合這種方法的情況可小結(jié)如下:

⑴正四面體,、三條側(cè)棱兩兩垂直的正三棱錐、四個(gè)面都是直角三角形的三棱錐.

⑵同一個(gè)頂點(diǎn)上的三條棱兩兩垂直的四面體,、相對(duì)的棱相等的三棱錐.

⑶若已知棱錐含有線面垂直關(guān)系,,則可將棱錐補(bǔ)成長(zhǎng)方體或正方體.

⑷若三棱錐的三個(gè)側(cè)面兩兩垂直,則可將三棱錐補(bǔ)成長(zhǎng)方體或正方體.

今天說說第二種方法,,就是利用球的定義確定球心.

基本的規(guī)律可小結(jié)如下:

⑴長(zhǎng)方體或正方體的外接球的球心是其體對(duì)角線的中點(diǎn).

⑵正三棱柱的外接球的球心是上下底面中心連線的中點(diǎn).

⑶直三棱柱的外接球的球心是上下底面三角形外心連線的中點(diǎn).

⑷正棱錐的外接球球心在其高上,,具體位置可通過建立直角三角形運(yùn)用勾股定理計(jì)算得到.

我們利用第(4)條結(jié)論來研究正三棱錐的外接球球心的位置.

舉一個(gè)具體栗子來說明.


外接球球心分析:在正三棱錐的高線上,先假設(shè)一個(gè)位置,,然后構(gòu)造直角三角形,,利用勾股定理求解.



從圖看出,此正三棱錐的外接球球心在高線PO的延長(zhǎng)線上.

再來求內(nèi)切球的球心位置.由正三棱錐的對(duì)稱性可知,,內(nèi)切球球心也在高線PO上.


下面利用等體積法(即算兩次體積)求內(nèi)切球的半徑.等體積法已經(jīng)是第二次提到了,,第一次提起是在線面角和點(diǎn)面距中.


回到這位朋友的問題上來,外接球球心和內(nèi)切球球心重合嗎,?

顯然,,多數(shù)情況下是不重合的.

有童鞋可能會(huì)問,有沒有重合的時(shí)候呢,?

為了回答這個(gè)問題,,我們作一般化的推導(dǎo).



若底邊長(zhǎng)剛好等于側(cè)棱長(zhǎng),即正三棱錐變?yōu)檎拿骟w時(shí),,奇跡發(fā)生了.


畫出圖來是這樣滴.


此時(shí),,兩心重合于一點(diǎn),且該點(diǎn)把三棱錐的高分為3:1,,長(zhǎng)的那段為外接球半徑,,短的那一段為內(nèi)切球半徑.

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