在正四棱锥S-ABCD中,侧面与底面所成角为 ,则它的外接球的半径R与内径球半径r的比值为( ) A. 5 B. C. 10 D.
更新时间:2026-07-22 14:25:42 栏目: 中华词典
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在正四棱锥S-ABCD中,侧面与底面所成角为 ,则它的外接球的半径R与内径球半径r的比值为( ) A. 5 B. C. 10 D.
在正四棱锥中,侧面与底面所成角为(60°)时,外接球半径与内切球半径的比值可通过几何关系与代数运算结合求解。核心思路是:设底面边长为参数,利用二面角求出棱锥的高、斜高和侧棱长,再分别计算内切球和外接球半径,最后得出比值。
设正四棱锥底面边长为。由于侧面与底面所成角为60°,底面中心与边的距离(边心距)为,斜高(侧面三角形的高)与边心距构成含60°角的直角三角形,因此斜高等于,棱锥的高为。侧棱长可通过勾股定理求得: 。
内切球半径\(r\)可利用侧面等腰三角形的内切圆半径计算。侧面三角形为底边长\(a\)、腰长\(\frac{\sqrt{5}}{2}a\)的等腰三角形,其内切圆半径(即棱锥内切球半径)为\(\frac{\sqrt{3}}{6}a\)。这一结果也可通过体积分割法验证:棱锥体积\(V = \frac{1}{3} \times a^2 \times \frac{\sqrt{3}}{2}a = \frac{\sqrt{3}}{6}a^3\),表面积\(S = a^2 + 4 \times \frac{1}{2} \times a \times a = 3a^2\),由\(V = \frac{1}{3}Sr\)可得\(r = \frac{3V}{S} = \frac{\sqrt{3}}{6}a\) 。
外接球的球心位于棱锥的高线上。设外接球半径为\(R\),球心到顶点距离为\(R\),到底面中心距离为\(\frac{\sqrt{3}}{2}a - R\)。底面外接圆半径(即中心到顶点距离)为\(\frac{\sqrt{2}}{2}a\),根据勾股定理:\(R^2 = (\frac{\sqrt{3}}{2}a - R)^2 + (\frac{\sqrt{2}}{2}a)^2\)。解得\(R = \frac{5\sqrt{3}}{12}a\) 。
因此,外接球与内切球半径的比值为:
\(\frac{R}{r} = \frac{\frac{5\sqrt{3}}{12}a}{\frac{\sqrt{3}}{6}a} = \frac{5}{2}\)
最终答案为\(\boxed{D}\)。这一结果展示了正棱锥中几何量之间的和谐关系,也体现了空间几何体中“由面及体”“由线及球”的转化思想。思考:若将二面角改为其他角度,这一比值会如何变化?是否存在通式表达?
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