星火网
首页 灵感 学院 工具 投稿

别再死记公式!像“削豆腐”一样轻松搞定最大内切球:小白到大神三步走:典型例题精讲

适用年级

几何

难度等级

⭐⭐⭐

资料格式

PDF 可打印

最近更新

2025-12-20

最大内切球:从“削废料”到成为空间大师

💡 阿星起步:最大内切球 的底层逻辑

想象一下,你有一块完美的正方体豆腐(棱长是 \( a \) ),你的任务是用它雕出一个最大的圆球。怎么雕?你得用刀把角角落落都削掉,直到剩下的部分变成一个光滑的球。

这个球的极限在哪里?就是当这个球的表面,刚刚好碰到正方体每一个面的时候。这个“碰到”的瞬间,在数学上就叫“相切”,那个接触点就是“相切点”。

这时你看,球的左端碰到左面,右端碰到右面,那么从左面到右面的距离——也就是正方体的棱长 \( a \) ——不就正好等于这个球的直径了吗?所以,最核心的关系就来了:球的直径 = 正方体的棱长

那“削去的废料体积”怎么算?太简单了!就是【正方体的体积】减去【球的体积】。我们学的所有公式,都是为了算出这个“废料”,理解“球在方中”这种空间关系。它的本质,就是理解规则图形之间的极限容纳关系,这是未来解决更复杂空间问题的基础。

🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】有一个棱长为 \( 2 \, \text{cm} \) 的正方体,求它内部能放入的最大球的体积,以及雕刻这个球后削去的废料体积。

🌱

阿星拆解:

第一步:抓住核心关系。 最大内切球的直径 \(d\) = 正方体棱长 \(a\)。已知 \(a = 2 \, \text{cm}\),所以球的直径 \(d = 2 \, \text{cm}\)。

第二步:求球的半径。 半径 \(r\) 是直径的一半,所以 \(r = d \div 2 = 2 \div 2 = 1 \, \text{cm}\)。

第三步:套公式算球体积。 球体积公式 \(V_{\text{球}} = \frac{4}{3} \pi r^3\)。
代入 \(r = 1\): \(V_{\text{球}} = \frac{4}{3} \times \pi \times (1)^3 = \frac{4}{3}\pi \, \text{(cm}^3)\)。

第四步:算正方体体积。 \(V_{\text{方}} = a^3 = 2^3 = 8 \, \text{cm}^3\)。

第五步:算废料体积。 \(V_{\text{废料}} = V_{\text{方}} - V_{\text{球}} = 8 - \frac{4}{3}\pi \, \text{(cm}^3)\)。
(如果取 \(\pi \approx 3.14\),则 \(V_{\text{球}} \approx 4.19 \, \text{cm}^3\),废料约 \(3.81 \, \text{cm}^3\))

【进阶例题】将一个棱长为 \( 2 \, \text{dm} \) 的正方体木料,加工成一个最大的球形工艺品,需要削去多少立方的木料?(取 \(\pi = 3.14\))

⚠️

阿星敲黑板:陷阱就在单位!题目给的棱长是分米(dm),但问的废料体积是立方米(m³)。1 m = 10 dm,所以 1 m³ = 1000 dm³。我们必须先统一单位,或者在计算最后一步换算。

化解与计算:

方法一(先换算单位,推荐):
1. 把棱长换算成米: \(a = 2 \, \text{dm} = 0.2 \, \text{m}\)。
2. 球半径: \(r = a / 2 = 0.1 \, \text{m}\)。
3. 正方体体积: \(V_{\text{方}} = (0.2)^3 = 0.008 \, \text{m}^3\)。
4. 球体积: \(V_{\text{球}} = \frac{4}{3} \times 3.14 \times (0.1)^3 = \frac{4}{3} \times 3.14 \times 0.001 \approx 0.00419 \, \text{m}^3\)。
5. 废料体积: \(V_{\text{废料}} \approx 0.008 - 0.00419 = 0.00381 \, \text{m}^3\)。

方法二(后换算单位):
1. 用分米算: \(a = 2 \, \text{dm}\), \(r = 1 \, \text{dm}\)。
2. \(V_{\text{方}} = 8 \, \text{dm}^3\), \(V_{\text{球}} = \frac{4}{3} \times 3.14 \times 1 \approx 4.19 \, \text{dm}^3\)。
3. \(V_{\text{废料}} \approx 3.81 \, \text{dm}^3\)。
4. 换算:因为 \(1 \, \text{m}^3 = 1000 \, \text{dm}^3\),所以 \(3.81 \, \text{dm}^3 = 3.81 \div 1000 = 0.00381 \, \text{m}^3\)。

看,两种方法结果一样!一定记得检查单位。

【拔高例题】一个长方体容器,内部长、宽、高分别为 \(6 \, \text{cm}, 6 \, \text{cm}, 8 \, \text{cm}\)。问这个容器内最多能容纳一个半径为多少厘米的完整球体?

🚀

思维迁移:虽然场景从“正方体”变成了“长方体”,但“最大内切”的核心思想没变!球要能放进去,必须保证它在每一个维度上都不能“超标”。

解题逻辑:
1. 原型回顾:在正方体里,球的直径受限于最短的通行距离,也就是棱长。在长方体里呢?这个“最短的通行距离”就是长方体的最小棱长
2. 应用分析:这个长方体长6cm,宽6cm,高8cm。你想把球放进去,球既不能比长宽更宽,也不能比高更高。决定球最大尺寸的,是长、宽、高里面最小的那个数! 因为球是“圆”的,哪个方向空间小,它就卡在哪里。
3. 找出关键尺寸:长、宽、高最小的是 \(6 \, \text{cm}\)。所以,这个长方体内部能放下的最大球,其直径最大只能是 \(6 \, \text{cm}\)。
4. 得出结论:球半径 \(r = \text{直径} \div 2 = 6 \div 2 = 3 \, \text{cm}\)。

看明白了吗?长方体里放最大球,球的直径就等于长方体“长、宽、高”中的最小值。这依然是“相切点”思想的应用——球会同时与最小的那组对面相切。

📝 阿星必背口诀:
内切球,放盒中,直径就是棱长公。
削废料,体积减,切点就是信号灯。
遇长方,莫发懵,最小棱长定球径。

🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

棱长为 \(5 \, \text{m}\) 的立方体仓库,其内部空间能容纳的最大球体的体积是多少立方米?

变式二:逆向思维

已知一个正方体内最大球的体积是 \(36\pi \, \text{cm}^3\),求这个正方体的表面积。

变式三:综合挑战

从一个棱长为 \(6\) 的正方体上,切下一个角(如图,为一个棱长为 \(3\) 的小正方体)。求剩余部分内部能容纳的最大球的半径。


解析与答案

【详尽解析】

入门例题答案: 最大球体积为 \(\frac{4}{3}\pi \, \text{cm}^3\),削去废料体积为 \(8 - \frac{4}{3}\pi \, \text{cm}^3\)。

进阶例题答案: 需要削去约 \(0.00381 \, \text{m}^3\) 的木料。

拔高例题答案: 最多能容纳一个半径为 \(3 \, \text{cm}\) 的球体。

举一反三解析:
1. 变式一: 直径=棱长=5m,半径 \(r=2.5 \, \text{m}\)。球体积 \(V = \frac{4}{3} \pi (2.5)^3 = \frac{4}{3}\pi \times 15.625 = \frac{125}{6}\pi \, \text{m}^3\)。
2. 变式二: 由球体积 \(V_{\text{球}} = \frac{4}{3}\pi r^3 = 36\pi\),解得 \(r^3 = 27\),所以 \(r=3 \, \text{cm}\)。因此正方体棱长 \(a = 2r = 6 \, \text{cm}\)。正方体表面积 \(S = 6a^2 = 6 \times 36 = 216 \, \text{cm}^2\)。
3. 变式三(核心提示): 切掉一个角后,剩余部分是一个“凹”形立体。能容纳的最大球,其球心必须在剩余部分内部,且到各个面的距离不能超过半径。思考:剩余部分最小的“通道”尺寸是多少?你可以想象这个球在三个方向上都不能“碰壁”。经过分析,最受限制的方向是原来大正方体中心到被切掉小正方体那个角的方向。实际上,剩余部分能容纳的最大球,其半径等于大正方体棱长的一半,即 \(3\)。你可以验证,半径为3的球放在大正方体中心,并不会碰到被切掉的部分。

PDF 典型例题打印版

为了节省资源,点击后将为您即时生成 PDF