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2023年高考数学甲卷-文16

  2023-07-08 11:36:07  

(5分)在正方体$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$中,$AB=4$,$O$为$AC_{1}$的中点,若该正方体的棱与球$O$的球面有公共点,则球$O$的半径的取值范围是____.
答案:$[2\sqrt{2}$,$2\sqrt{3}]$.
分析:当球是正方体的外接球时半径最大,当边长为4的正方形是球的大圆的内接正方形时半径达到最小.
解:设球的半径为$R$,
当球是正方体的外接球时,恰好经过正方体的每个顶点,所求的球的半径最大,
若半径变得更大,球会包含正方体,导致球面和棱没有交点,
正方体的外接球直径$2R\prime$为体对角线长$AC_{1}=\sqrt{{4}^{2}+{4}^{2}+{4}^{2}}=4\sqrt{3}$,
即$2R\prime =4\sqrt{3}$,$R\prime =2\sqrt{3}$,故$R_{max}=2\sqrt{3}$,

分别取侧枝$AA_{1}$,$BB_{1}$,$CC_{1}$,$DD_{1}$的中点$M$,$H$,$G$,$N$,
则四边形$MNGH$是边长为4的正方形,且$O$为正方形$MNGH$的对角线交点,
连接$MG$,则$MG=4\sqrt{2}$,
当球的一个大圆恰好是四边形$MNGH$的外接圆,球的半径最小,
即$R$的最小值为$2\sqrt{2}$,
综上,球$O$的半径的取值范围是$[2\sqrt{2}$,$2\sqrt{3}]$.
故答案为:$[2\sqrt{2}$,$2\sqrt{3}]$.
点评:本题考查正方体的结构特征、四边形的外接圆、球的结构特征等基础知识,考查运算求解能力,是中档题.

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