Câu hỏi
Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng \(\left( P \right):2x + y - 2z + 10 = 0\) và mặt cầu \(\left( S \right):{\left( {x - 2} \right)^2} + {\left( {y - 1} \right)^2} + {\left( {z - 3} \right)^2} = 25\) cắt nhau theo giao tuyến là đường tròn \(\left( C \right)\). Gọi \({V_1}\) là thể tích khối cầu \(\left( S \right)\), \({V_2}\) là thể tích khối nón \(\left( N \right)\) có đỉnh là giao điểm của mặt cầu \(\left( S \right)\) với đường thẳng đi qua tâm mặt cầu \(\left( S \right)\) và vuông góc với mặt phẳng \(\left( P \right)\), đáy là đường tròn \(\left( C \right)\). Biết độ dài đường cao khối nón \(\left( N \right)\) lớn hơn bán kính của khối cầu \(\left( S \right)\). Tỉ số \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}}\) bằng
- A \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}} = \dfrac{{375}}{{32}}\)
- B \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}} = \dfrac{{125}}{8}\)
- C \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}} = \dfrac{{125}}{{96}}\)
- D \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}} = \dfrac{{125}}{{32}}\)
Phương pháp giải:
Áp dụng công thức tính thể tích khối nón và khối cầu.
Lời giải chi tiết:
Ta có mặt cầu \(\left( S \right):{\left( {x - 2} \right)^2} + {\left( {y - 1} \right)^2} + {\left( {z - 3} \right)^2} = 25\) có tâm \(I\left( {2;1;3} \right);R = 5\)
\( \Rightarrow {V_1} = \dfrac{4}{3}\pi {R^3} = \dfrac{{500\pi }}{3}\)
Mặt phẳng\(\left( P \right):2x + y - 2z + 10 = 0 \Rightarrow {d_{\left( {I;\left( P \right)} \right)}} = 3\)
Khi đó bán kính đường tròn \(\left( C \right)\) là \(r = \sqrt {{R^2} - d_{\left( {I;\left( P \right)} \right)}^2} = 4\)
Đường thẳng d đi qua tâm mặt cầu \(\left( S \right)\) là điểm\(I\left( {2;1;3} \right)\) và vuông góc với mặt phẳng \(\left( P \right)\) nên vecto chỉ phương là \(\left( {2;1; - 2} \right)\)
Có phương trình là \(\left\{ \begin{array}{l}x = 2 + 2t\\y = 1 + t\\z = 3 - 2t\end{array} \right.\)
Giao điểm của đường thẳng d và mặt cầu là
\({\left( {2 + 2t - 2} \right)^2} + {\left( {1 + t - 1} \right)^2} + {\left( {3 - 2t - 3} \right)^2} = 25 \Leftrightarrow t = \pm \dfrac{5}{3}\)
Nên giao điểm là \(A\left( {\dfrac{{16}}{3};\dfrac{8}{3}; - \dfrac{1}{3}} \right)\) hoặc \(B\left( { - \dfrac{4}{3}; - \dfrac{2}{3}; - \dfrac{1}{3}} \right)\)
Khi đó \({d_{\left( {A;\left( P \right)} \right)}} = 8;{d_{\left( {B;\left( P \right)} \right)}} = \dfrac{{22}}{9}\)
Mà khối nón \(\left( N \right)\) có đường cao lớn hơn bán kính khối cầu nên \(h = {d_{\left( {A;\left( P \right)} \right)}} = 8\)
Khi đó thể tích khối nón \(\left( N \right)\) là \({V_2} = \dfrac{1}{3}\pi {r^2}h = \dfrac{1}{3}\pi {.4^2}.8 = \dfrac{{128\pi }}{3}\)
Khi đó \(\dfrac{{{V_1}}}{{{V_2}}} = \dfrac{{125}}{{32}}\)
Chọn D.