已知一圆锥的母线长为10cm10cm,底面半径为6cm.(1)6cm.(1)求圆锥的高;(2);(2)若圆锥内有一球,球与圆锥的底面及圆锥的所有母线都相切,求球的表面积和体积.

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完整解法

(1)

1. 利用圆锥的高、底面半径和母线构成的直角三角形求出圆锥的高

设圆锥的高为 hh。由圆锥的几何性质,圆锥的高 hh、底面半径 rr 和母线 ll 构成直角三角形。
已知母线 l=10 cml = 10\text{ cm},底面半径 r=6 cmr = 6\text{ cm}。
根据勾股定理可得:
h=l2−r2=102−62=64=8 cmh = \sqrt{l^2 - r^2} = \sqrt{10^2 - 6^2} = \sqrt{64} = 8\text{ cm}

答案

圆锥的高为 8 cm8\text{ cm}。

(2)

1. 建立轴截面截面图,利用相似三角形求出内切球的半径

考虑圆锥及内切球的轴截面:截面为一个等腰三角形与其内切圆。
等腰三角形的底边长为圆锥底面直径 2r=12 cm2r = 12\text{ cm},腰长为母线 l=10 cml = 10\text{ cm},高为圆锥的高 h=8 cmh = 8\text{ cm}。
设内切球的半径为 RR(即内切圆半径)。
设圆锥顶点为 VV,底面圆心为 MM,球心为 OO,球与母线的切点为 TT。
在 Rt△VTO\triangle VTO 与 Rt△VMA\triangle VMA 中,由于 ∠V\angle V 为公共角,且 ∠VTO=∠VMA=90∘\angle VTO = \angle VMA = 90^\circ,故 △VTO∼△VMA\triangle VTO \sim \triangle VMA。
根据相似三角形对应边成比例可得:
OTMA=VOVA\frac{OT}{MA} = \frac{VO}{VA}
代入已知量 OT=ROT = R,MA=6 cmMA = 6\text{ cm},VO=h−R=8−RVO = h - R = 8 - R,VA=10 cmVA = 10\text{ cm}:
R6=8−R10\frac{R}{6} = \frac{8 - R}{10}
解方程:
10R=6(8−R)  ⟹  16R=48  ⟹  R=3 cm10R = 6(8 - R) \implies 16R = 48 \implies R = 3\text{ cm}

2. 代入公式计算球的表面积和体积

将球的半径 R=3 cmR = 3\text{ cm} 代入公式计算:
球的表面积:
S=4πR2=4π×32=36π cm2S = 4\pi R^2 = 4\pi \times 3^2 = 36\pi\text{ cm}^2
球的体积:
V=43πR3=43π×33=36π cm3V = \frac{4}{3}\pi R^3 = \frac{4}{3}\pi \times 3^3 = 36\pi\text{ cm}^3

答案

球的表面积为 36π cm236\pi\text{ cm}^2,体积为 36π cm336\pi\text{ cm}^3。

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