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数学
题目

已知正三棱台的高为1,上、下底面边长分别为3sqrt(3)和4sqrt(3),其顶点都在同一球面上,则该球的表面积为(  ) A. 100π B. 128π C. 144π D. 192π

已知正三棱台的高为1,上、下底面边长分别为3$\sqrt{3}$和4$\sqrt{3}$,其顶点都在同一球面上,则该球的表面积为(  )
  • A. 100π
  • B. 128π
  • C. 144π
  • D. 192π

题目解答

答案

解:由题意得,上底面所在平面截球所得圆的半径为$\frac{3\sqrt{3}}{2sin60°}=3$,下底面所在平面截球所得圆的半径为$\frac{4\sqrt{3}}{2sin60°}=4$,如图,
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设球的半径为R,则轴截面中由几何知识可得$\sqrt{{R}^{2}-{3}^{2}}+\sqrt{{R}^{2}-{4}^{2}}=1$,解得R=5,
∴该球的表面积为4πR2=4π×25=100π.
故选:A.

解析

考查要点:本题主要考查正三棱台的外接球表面积计算,涉及空间几何体的性质、球体截面圆半径与球心位置的关系,以及代数方程的求解。

解题核心思路:

  1. 确定上下底面外接圆半径:正三棱台的上下底面为正三角形,其外接圆半径可通过边长公式计算。
  2. 建立球心到上下底面的距离关系:利用球体截面圆半径与球心到平面距离的关系,结合正三棱台的高,建立方程。
  3. 解方程求球半径:通过代数运算求解球半径,最终计算球的表面积。

破题关键点:

  • 正三角形外接圆半径公式:边长为$a$的正三角形外接圆半径为$\frac{a}{\sqrt{3}}$。
  • 球心到平面距离与截面圆半径的关系:若球半径为$R$,球心到平面距离为$d$,则截面圆半径$r$满足$r = \sqrt{R^2 - d^2}$。
  • 几何关系转化:将正三棱台的高转化为球心到上下底面距离之和,建立方程求解。

步骤1:计算上下底面外接圆半径

  • 上底面边长为$3\sqrt{3}$,外接圆半径为:
    $r_1 = \frac{3\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = 3$
  • 下底面边长为$4\sqrt{3}$,外接圆半径为:
    $r_2 = \frac{4\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = 4$

步骤2:建立球心到上下底面的距离关系

设球半径为$R$,球心到上底面的距离为$d_1$,到下底面的距离为$d_2$,则:
$\begin{cases}r_1 = \sqrt{R^2 - d_1^2} \implies d_1 = \sqrt{R^2 - 3^2} \\r_2 = \sqrt{R^2 - d_2^2} \implies d_2 = \sqrt{R^2 - 4^2}\end{cases}$
由于正三棱台的高为1,球心位于上下底面之间,故:
$d_1 + d_2 = 1$

步骤3:解方程求球半径

将$d_1$和$d_2$代入方程:
$\sqrt{R^2 - 9} + \sqrt{R^2 - 16} = 1$
平方两边并化简:
$2R^2 - 25 + 2\sqrt{(R^2 - 9)(R^2 - 16)} = 1 \implies \sqrt{(R^2 - 9)(R^2 - 16)} = 13 - R^2$
再次平方并解得:
$R^2 = 25 \implies R = 5$

步骤4:计算球的表面积

球的表面积为:
$4\pi R^2 = 4\pi \times 25 = 100\pi$

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