立体几何及解题技巧以及空间距离专题复习
α
n
A ?
P
?O
?h
A
B
C
D α β
l
知识点整理
(一)平行与垂直的判断
(1)平行:设,αβ的法向量分别为,u v ,则直线,l m 的方向向量分别为,a b ,平面 线线平行l ∥m ?a ∥b a kb ?=;线面平行l ∥α?a u ⊥0a u ??=; 面面平行α∥β?u ∥v .u kv ?=
(2)垂直:设直线,l m 的方向向量分别为,a b ,平面,αβ的法向量分别为,u v ,则 线线垂直l ⊥m ?a ⊥b 0a b ??=;线面垂直l ⊥α?a ∥u a ku ?=; 面面垂直α⊥β?u ⊥v .0=??v u
(二)夹角与距离的计算 注意:以下公式可以可以在非正交基底下用,也可以在正交基底下用坐标运算 (1)夹角:设直线,l m 的方向向量分别为,a b ,平面,αβ的法向量分别为,u v ,则
①两直线l ,m 所成的角为θ(02π
θ≤≤),cos a b a b
θ?=;
②直线l 与平面α所成的角为θ(02
π
θ≤≤),sin a u a u
θ?=
;
③二面角α─l ─β的大小为θ(0θπ≤≤),cos .u v u v
θ?=
(2)空间距离
点、直线、平面间的距离有种.点到平面的距离是重点,两异面直线间的距离是难, ① 点到平面的距离h :(定理)如图,设n 是是平面α的法向量,AP 是平面α的一条斜线,
其中A α∈则点P 到平面α的距离 ② h =
||||
AP n n ?(实质是AP 在法向量n 方向上的投影的绝对值)
③ 异面直线12,l l 间的距离d :||||
CD n d AB n ?==
(12,l l 的公垂向量为n ,C D 、分别是12,l l 上任一点).
题型一:非正交基底下的夹角、距离、长度的计算
例1.如图,已知二面角α-l -β的大小为1200
,点A ∈α,B ∈β,AC ⊥l 于点C ,BD ⊥l 于点D ,且AC=CD=DB=1. 求:(1)A 、B 两点间的距离;
(2)求异面直线AB 和CD 的所成的角 (3)AB 与CD 的距离. 解:设,c DB ,b CD ,a AC ===则
,60,,90,,,1||||||00>=<>=>=<<===
(1)()
2a c 2c b 2b a 2c b a c b a |AB |2
222
=?+?++?+++=++=∴
,
∴ A 、B 两点间的距离为2.
(2)异面直线AB 和CD 的所成的角为600
(3)设与AB 、CD 都垂直的非零向量为c z b y a x n ++=,
由AB n ⊥得0z 3y 2x 30)c b a ()c z b y a x (=++?=++?++①; 由CD n ⊥得0y 0b )c z b y a x (=?=?++②,
令x=1,则由①、②可得z=-1,∴c a n -=,由法则四可知,AB 与CD 的距离为
()
2
1c a |
n ||AC |
n ||
d 2
=
-=
=
?=. 小结:任何非正交基底下的证明、计算都先设基底,并将条件也用基底表示,特别证明线面平行时,如AB//平面PEF 可以将AB 有基底表示,PE ,PF 也用基底表示,最后用待定系数法PF PE AB μ+λ=,将λ和μ求出。 例2。如图,在三棱锥A —BCD 中,侧面ABD 、ACD 是全等的直角三角形,AD 是公共的斜边,且AD =3,BD =CD =1。另一个侧面ABC 是正三角形. (1)求证:AD ⊥BC ;
(2)求二面角B —AC —D 的大小;
(3)在段线AC 上是否存在一点E ,使ED 与面BCD
成30°角?若存在,确定点E 的位置;若不存 在,说明理由.
20.解法一:
(1)方法一:作AH ⊥面BCD 于H 连DH.
AB ⊥BD ?HB ⊥BD ,∵AD =3,BD =1
∴AB =2=BC =AC ∴BD ⊥DC
又BD =CD ,则BHCD 是正方形, 则DH ⊥BC.∴AD ⊥BC ,
方法二:取BC 的中点O ,连AO 、DO , 则有AO ⊥BC ,DO ⊥BC . ∴BC ⊥面AOD ,∴BC ⊥AD
(2)作BM ⊥AC 于M ,作MN ⊥AC 交AD 于N , 则∠BMN 就是二面角B —AC —D 的平面角. ∵AB =AC =BC =2,∴M 是AC 的中点,且MN //CD . 则BM =
.2
321,2121,26====AD BN CD MN 由余弦定理得arccos ,362cos 222=∠∴=?-+=∠BMN MN BM BN MN BM BMN 3
6
.
(3)设E 为所求的点,作EF ⊥CH 于F ,连FD ,则EF//AH ,
∴EF ⊥面BCD ,∠EDF 就是ED 与面BCD 所成的角,则∠EDF =30°, 设EF =x ,易得AH =HC =1,则CF =x ,FD =21x +.
,12,22
,331tan 2====+==
∠∴x CE x x
x FD EF EDF 则解得
故线段AC 上存在E 点,且CE =1时,ED 与面BCD 成30°角.
解法二:
(1)作AH ⊥面BCD 于H ,连BH 、CH 、DH ,则四边形BHCD 是正方形,且AH =1, 以D 为原点,以DB 为x 轴,DC 为y 轴建立空间直角坐标系如图, 则B (1,0,0),C (0,1,0),A (1,1,1).
.
,0),1,1,1(),0,1,1(AD BC DA BC DA BC ⊥=?∴=-=则
(2)设平面ABC 的法向量为1n =),,(z y x ,
).
1,1,1(.0;0:11111-==+=⊥⊥=+-=?⊥n z x CA n CA n y x BC n BC n 可取知同理由知则由 同理,可求得平面ACD 的一个法向量为)1,0,1(2-=n . 由图可以看出,二面角B —AC —D 的大小应等于><21,n n
cos 则><21,n n =
3
6
2
3101|
|||2121=
?++=
n n n n ,即所求二面角的大小是.36arccos (3)设E (x ,y ,z )是线段AC 上一点,则,1,0=>=y z x 平面BCD 的一个法向量为),,1,(),1,0,0(x x DE n == 要使ED 与面BCD 成30°角,由图可知n DE 与的夹角为60°,
.30,1,.12,2
2
,,212.
21
60cos 21|
|||,cos 22
角成与面时且点上存在故线段则解得则所以 BCD ED CE E AC x CE x x x x x
n DE n DE n DE ====
+===+=
>=
< 题型二、利用坐标系或几何法解决距离、角度及其证明问题
例3、如题(18)图,在五面体ABCDEF 中,AB ∥DC ,2
BAD π
∠=
,
2CD AD ==,四边形ABFE 为平行四边形,FA ⊥平面ABCD ,
3,7FC ED ==.求:
(Ⅰ)直线AB 到平面EFCD 的距离;
E
(Ⅱ)二面角F AD E --的平面角的正切值. 解法一:
(Ⅰ)
,AB DC DC ?平面EFCD , ∴AB 到面EFCD 的距离等于点A 到面EFCD 的距离,过点A 作
AG FD ⊥于G ,因2
BAD π
∠=
AB ∥DC ,故CD AD ⊥;又FA ⊥平面ABCD ,由三垂线定理可知,
CD FD ⊥,故CD FAD ⊥面,知CD AG
⊥,所以AG 为所求直线
AB 到面EFCD 的距离
在
Rt ABC △中,FD =
==
由FA ⊥平面ABCD
,得FA ⊥AD ,从而在Rt △FAD 中,
1FA
=
=
∴5
FA AD AG FD ?=
==
。即直线AB 到平面EFCD 。 (Ⅱ)由己知,FA ⊥平面ABCD ,得FA ⊥AD ,又由2
BAD π
∠=
,知AD AB ⊥,故AD ⊥平面ABFE
∴DA AE ⊥,所以,FAE ∠
为二面角F AD E --
的平面角,记为θ.
在
Rt AED △中,AE ==,由ABCD 得,FE BA ,
从而2
AFE
π
∠=
在
Rt AEF △中,
FE =
= ,故tan
FE
FA
θ=
=所以二面角F AD E --.
解法二: (Ⅰ)如图以A 点为坐标原点,,,AB AD AF 的方向为,,x y z 的正方向建立空间直角坐标系数,则
A(0,0,0) C(2,2,0) D(0,2,0) 设00(0,0,)
(0)F z z >可得0(2,2,)FC
z =-,由|FC
3=,解得(0,0,1)
F AB ∥DC ,
DC ?面EFCD ,所以直线AB 到面EFCD 的距离等于点A 到面EFCD 的距离。设A 点在平面EFCD 上的射
影点为111(,,)G x y z ,则111(,,)AG x y z = 因0AG DF ?=且0AG CD ?=,而(0,2,1)DF =-
(2,0,0)CD =-,此即111
2020y z x -+=??-=? 解得10x =① ,知G 点在yoz 面上,故G 点在FD 上.
GF DF ,111(,,1)GF x y z =---+故有
1112y z =-+② 联立①,②解得,24
(0,,)55
G . ∴||AG 为直线AB 到面EFCD 的距离. 而24
(0,,)55
AG = 所以25||5AG =
(Ⅱ)因四边形ABFE 为平行四边形,则可设00(,0,1)
(0)E x x <,0(2,1)ED x =-- .
由
||7ED =
=解得0x
=.即(E .故(AE =-
由(0,2,0)AD =,(0,0,1)AF =因0AD AE ?=,0AD AF ?=,故FAE ∠为二面角F AD E --的平面角,又
(2,0,0)EF =,||2EF =,||1AF =,所以||
tan 2||
EF FAE FA ∠=
=例3、如图,四棱锥S -ABCD 中,底面ABCD 为平行四边形, 侧面SBC ⊥底面ABCD.已知∠ABC =45°,AB =2,BC=22, SA =SB =3.
(1)证明:SA ⊥BC ;
(2)求直线SD 与平面SAB 所成角的大小.
求异面直线DC 、SA 的距离.
解: (1)作AE BC ⊥于E 点,则
cos 2cos 452
AE BE AB ABE ==?∠=?=
又∵BC=22
∴
12BE BC =
,
即E 点是BC 的中点. 又∵SEA SB ??? ∴90SEB SEA ∠=∠=, 即SE 是BC 的中垂线. 又∵侧面SBC ⊥底面ABCD ∴SE AC ⊥面. (2) 以E 为原点,分别以向量
,,EA EB ES 的正方向为x 轴、
y 轴、z 轴的非负半轴,建立空间直角坐标系
,如图4所示. 容
易求得
SE=1,于是
,0),S(0,0,1),E(0,0,0). 设平面SAB 的法向量
(x,y,z)n =,
∵(2,0,1)SA =-,
SB=(0,2,-1)
∴2-0
2-0n SA x z
n SB y z ??==??
?==??
令z =得(1,1,2)n =. 又∵
(2,1)SD =--
设直线SD 与平面SAB 所成的角为θ,则
2sin 11SD n SD n
θ?=
=
=?
∴
22arcsin
11θ=.
题型三、探索性问题
已知△BCD 中,∠BCD=90°,BC=CD=1,AB ⊥平面BCD ,
∠ADB=60°,E 、F 分别是AC 、AD 上的动点,且).10(<<==λλAD
AF AC
AE
(Ⅰ)求证:不论λ为何值,总有平面BEF ⊥平面ABC ; (Ⅱ)当λ为何值时,平面BEF ⊥平面ACD ? 21.证明:(Ⅰ)∵AB ⊥平面BCD ,∴AB ⊥CD ,
∵CD ⊥BC 且AB ∩BC=B ,∴CD ⊥平面ABC.………………………………3分 又),10(<<==λλAD AF AC AE
∴不论λ为何值,恒有EF ∥CD ,∴EF ⊥平面ABC ,EF ?平面BEF,
∴不论λ为何值恒有平面BEF ⊥平面ABC …………....................6分
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,BE ⊥EF ,又平面BEF ⊥平面ACD , ∴BE ⊥平面ACD ,∴BE ⊥AC.………………8分 ∵BC=CD=1,∠BCD=90°,∠ADB=60°, ∴,660tan 2,2===
AB BD
,722=+=∴BC AB AC 由AB 2
=AE ·AC 得,7
6,7
6==∴=AC
AE AE λ
故当7
6
=
λ时,平面BEF ⊥平面ACD.………………………………………………12分 22.(2009卷理)(本小题满分12分)
如图,四棱锥S-ABCD 的底面是正方形,每条侧棱的长都是地面边长的2倍,P 为侧棱SD 上的点。
(Ⅰ)求证:AC ⊥SD ;
(Ⅱ)若SD ⊥平面PAC ,求二面角P-AC-D 的大小
(Ⅲ)在(Ⅱ)的条件下,侧棱SC 上是否存在一点E,使得BE ∥平面PAC 。若存在,求SE :EC 的值;若不存在,试说明理由。
解法一:(Ⅰ)连BD ,设AC 交BD 于O ,由题意SO AC ⊥。在正方形ABCD 中,AC BD ⊥,所以AC SBD ⊥平面,得AC SD ⊥.
(Ⅱ)设正方形边长a ,则2SD a =
。
又2
2
OD a =
,所以060SOD ∠=,
连OP ,由(Ⅰ)知AC SBD ⊥平面,所以AC OP ⊥, 且AC OD ⊥,所以POD ∠是二面角P AC D --的平面角。 由SD PAC ⊥平面,知SD OP ⊥,所以0
30POD ∠=,
即二面角P AC D --的大小为0
30。
(Ⅲ)在棱SC 上存在一点E ,使//BE PAC 平面
由(Ⅱ)可得2
4
PD a =
,故可在SP 上取一点N ,使PN PD =,过N 作PC 的平行线与SC 的交点即为E 。连BN 。在BDN 中知//BN PO ,又由于//NE PC ,故平面//BEN PAC 平面,得//BE PAC 平面,由于21SN NP =::,故21SE EC =::
. 解法二:(Ⅰ);连BD ,设AC 交于BD 于O ,由题意知SO ABCD ⊥平面.以O 为坐标原点,OB OC OS ,
,分别为x 轴、y 轴、z 轴正方向,建立坐标系O xyz -如图。 设底面边长为a ,则高6
SO a =
。 于是 62(0,0,
),(,0,0)22S a D a -2(0,,0)2C a 则:2(0,,0)2OC a =26(,0,)22
SD a a =-- 0OC SD ?=
故OC SD ⊥从而AC SD ⊥
(Ⅱ)由题设知,平面PAC 的一个法向量26(
,0,)22DS a a =,平面DAC 的一个法向量6
)0,0,)2
OS a =,设所求二面角为θ,则3cos OS DS OS DS
θ?=
=
,所求二面角的大小为0
30 (Ⅲ)在棱SC 上存在一点E 使//BE PAC 平面.
由(Ⅱ)知DS 是平面PAC 的一个法向量, 且 2626
,0,),(0,,)22DS a a CS a a =
=-( 设 ,CE tCS =则 226(,(1),)BE BC CE BC tCS a a t at =+=+=-- 而1
03
BE DC t ?=?=
即当:2:1SE EC =时,BE DS ⊥ 而BE 不在平面PAC ,故//BE PAC 平面故21SE EC =::. 题型四:翻折问题
(本题满分15分)如图, 在矩形ABCD 中,点,E F 分别在线段,AB AD 上,
2
43
AE EB AF FD ===
=.沿直线EF 将 AEF 翻折成'A EF ,使平面'A EF BEF ⊥平面.
(Ⅰ)求二面角'
A FD C --的余弦值;
(Ⅱ)点,M N 分别在线段,FD BC 上,若沿直线MN 将四边形MNCD 向上翻折,使C 与'A 重合,求线段FM 的长。
解析:本题主要考察空间点、线、面位置关系,二面角等基础知识,空间向量的应用,同事考查空间想象能力和运算求解能力。
(Ⅰ)解:取线段EF 的中点H ,连结'A H ,因为'A E ='A F 及H 是EF 的中点,所以'A H EF ⊥,
又因为平面'A EF ⊥平面BEF . 如图建立空间直角坐标系A-xyz 则'A (2,2,22),C (10,8,0), F (4,0,0),D (10,0,0).
故'FA →
=(-2,2,22),FD →
=(6,0,0).
设n →
=(x,y,z )为平面'
A FD 的一个法向量,
-2x+2y+22z=0 所以
6x=0. 取2z =
,则(0,2,2)n =-。
又平面BEF 的一个法向量(0,0,1)m =,故3
cos ,3
n m n m n m ??=
=。 所以二面角的余弦值为
3
(Ⅱ)解:设,FM x =则(4,0,0)M x +,
因为翻折后,C 与A 重合,所以'CM A M =,
故,222222
(6)80=2222x x -++--++()(),得21
4
x =
, 经检验,此时点N 在线段BC 上,所以214
FM =。 方法二:
(Ⅰ)解:取线段EF 的中点H ,AF 的中点G ,连结',',A G A H GH 。 因为'A E ='A F 及H 是EF 的中点,
所以'A H EF ⊥
又因为平面'A EF ⊥平面BEF , 所以'A H ⊥平面BEF , 又AF ?平面BEF , 故'A H ⊥AF ,
又因为G 、H 是AF 、EF 的中点, 易知GH ∥AB , 所以GH ⊥AF , 于是AF ⊥面'A GH ,
所以'A GH ∠为二面角'A DH C --的平面角, 在'Rt A GH 中,'A H =22GH =2,'A G =23所以3cos 'A GH ∠=
. 故二面角'A DF C --的余弦值为33
。 (Ⅱ)解:设FM x =,
因为翻折后,C 与'A 重合,
所以'CM A M =,
而22222
8(6)CM DC DM x =+=+-,
222222'''A M A H MH A H MG GH =+=++2(22)=
得214
x =
, 经检验,此时点N 在线段BC 上, 所以214
FM =
。 1、如图,在五面体ABCDEF 中,FA ⊥平面ABCD, AD//BC//FE ,AB ⊥AD ,M 为EC 的中点,AF=AB=BC=FE=
1
2
AD (I) 求异面直线BF 与DE 所成的角的大小; (II) 证明平面AMD ⊥平面CDE ;
(III )求二面角A-CD-E 的余弦值。 方法一:(Ⅰ)解:由题设知,BF//CE ,所以∠CED (或其补角)为异面直线BF 与
DE 所成的角。设P 为AD 的中点,连结EP ,PC 。因为FE //=AP ,所以FA //=EP ,同理AB //=
PC 。又FA ⊥平面ABCD ,所以EP ⊥平面ABCD 。而PC ,AD 都在平面ABCD,故EP
⊥PC ,EP ⊥AD 。由AB ⊥AD ,可得PC ⊥AD 设FA=a ,则EP=PC=PD=a,CD=DE=EC=a 2,故∠CED=60°。所以异面直线BF 与DE 所成的角的大小为60°
(II )证明:因为.CE MP MP .CE DM CE M ⊥⊥=,则连结的中点,所以
为且DE DC .CDE AMD CDE CE .AMD CE M DM MP 平面,所以平面平面而平面,故又⊥?⊥= (
III
)
因为,所以因为,的中点,连结为解:设.CD EQ DE CE .EQ PQ CD Q ⊥= .E CD A EQP CD PQ PD PC 的平面角为二面角,故,所以--∠⊥=
由(I )可得,.2
2
26EQ a PQ a PQ EP ==
⊥,, ,
中,于是在3
3
cos EPQ Rt ==
∠?EQ PQ EQP 方法二:如图所示,建立空间直角坐标系,
点A 为坐标原点。设,1=AB 依题意得(),,,001B (),,,011C (),,,020D (),,,110E (),,,100F .21121M ???
?
?,,
(I )(),,,解:101B F -=(),
,,110DE -= .2
1
221
00DE
BF DE cos =?++=
=
,于是BF
所以异面直线B F 与DE 所成的角的大小为0
60.
(II )证明:,,,由??
? ??=21121AM (),,,101CE -=()0AM CE 020AD =?=,可得,,, .AMD CE A AD AM .AD CE AM CE .0AD CE 平面,故又,因此,⊥=⊥⊥=?
.CDE AMD CDE CE 平面,所以平面平面而⊥?
(III )?????=?=?=.
0D 0)(CDE E u CE u z y x u ,
,则,,的法向量为解:设平面
.111(1.00),,,可得令,
于是==?
??=+-=+-u x z y z x
又由题设,平面ACD 的一个法向量为).100(,,
=v .33
1
3100cos =?++=?=
v u v u v u ,所以, 2、在四面体ABCD 中,AB ⊥BC ,AB ⊥BD ,BC ⊥CD ,且AB =BC =1。
(1)求证:平面CBD ⊥平面ABD ;
(2)是否存在这样的四面体,使二面角C —AD —B 的平面角为30°?如果存在,求出CD 的长;如果不存在,请找出一个角θ,使得存在这样的四面体,使二面角C —AD —B 的平面角为θ。 解:(1)∵AB ⊥BC ,AB ⊥BD
∴⊥平面,又面AB BCD AB ABD ?
∴面ABD ⊥面CBD
(2)设CD =x ,在面CBD 作CE ⊥BD 于E 由(1)知平面ABD ⊥面BCD ,且BD 为交线 ∴CE ⊥平面ABD
作EF ⊥AD 于F ,连结CF ,则CF ⊥AD
∴∠CFE 为“二面角”C —AD —B 的平面角,且∠CFE =30° 又在Rt △BCD 中,CE ·BD =CB ·CD
∴CE x x x x =
?+=
+11
122
又∵CD ⊥BC ,又BC 为AC 在面BCD 上射影 ∴CD ⊥AC
则在Rt △ACD 中,CF ·AD =AC ·CD
∴CF x x =
+222
在中,∠·Rt CEF CFE CE
CF
x x x x x x ?sin ==
++=++=
2
22
2
122
221
12
解出,无实数解。x 2
3=-
故不存在这样的四面体,使二面角C —AD —B 的平面角为30°
又∠·,sin CFE x x x =
++=
++∈?? ??
?
2
222
21
1211
1221
∴∠,CFE ∈?? ???
π
π42
故θ可以取45°~90°之间的任意角。
3、如图,四棱锥S —ABCD 的底面是正方形,SD ⊥平面ABCD ,SD=2a ,2AD a =点E 是
SD 上的点,且(02)DE a λλ=<≤
(Ⅰ)求证:对任意的(0,2]λ∈,都有AC BE ⊥ (Ⅱ)设二面角C —AE —D 的大小为θ
,直线BE 与平面ABCD 所成的角为?,若
tan tan 1θ?=,求λ的值
解:(Ⅰ)证法1:如图1,连接BE 、BD ,由地面ABCD 是正方形可得AC ⊥BD 。
SD ⊥平面ABCD ,∴BD 是BE 在平面ABCD 上的射影,∴AC ⊥BE (Ⅱ)解法1:如图1,由SD ⊥平面ABCD 知,∠DBE=?,
SD ⊥平面ABCD ,CD ?平面ABCD,∴SD ⊥CD 。
又底面ABCD 是正方形,∴ CD ⊥AD ,而SD ? AD=D ,CD ⊥平面SAD. 连接AE 、CE ,过点D 在平面SAD 作DE ⊥AE 于F ,连接CF ,则CF ⊥AE , 故∠CDF 是二面角C-AE-D 的平面角,即∠CDF=θ。
在Rt △BDE 中,BD=2a ,DE=a
λtan 2DE BD λ
?∴=
=
在Rt △ADE 中,
22,,2AD a DE a AE a λλ==∴=+
从而
222AD DE a
DF AE λλ?=
=+
在Rt CDF ?中,22tan CD DF λθ+==
.
由tan tan 1θ??=,得2222.12222λλ
λλ+=?+=?=.
由(0,2]λ∈,解得2λ=
,即为所求.
(I ) 证法2:以D 为原点,,,DA DC DS 的方向分别作为x ,y ,z 轴的正方向建立如 图2所示的空间直角坐标系,则
D (0,0,0),A (2,0,0),B (2a ,2a ,0),C (0,2a ,0),
E (0,0a λ),
∴(2,2,0),(2,2,)AC a a BE a a a λ=-=-- ∴222200AC BE a a a λ?=-+?=,
即AC BE ⊥。
(II ) 解法2:
由(I )得(2,0,),(0,2,),(2,2,)EA a a EC a a BE a a a λλλ=-=-=--.
设平面ACE 的法向量为n=(x ,y ,z),则由n EA
EC ⊥⊥,n 得 0,2x z 0,
z 2n(,,2)0,2y z 0,n EA n EC λλλλ???=-=??=??
?=-=???
?即取,得。 易知平面ABCD 与平面ADE 的一个法向量分别为(0,0,2)DC a DS a ==与(0,2,0).
2
2
sin ,cos 4
22
DC n DS BE DS BE
DC n
λ
?θλλ??∴=
=
=
=
??++.
0<θ,,02
π
?λ<
>,
222tan tan sin cos 22
4
22
π
θ?θ??θλλλ∴??+=
?=?
=
?=++.
由于(0,2]λ∈,解得2λ=,即为所求。
4、已知在四边形ABCD 中,AD //BC ,AD =AB =1,45,90BCD BAD ∠=∠=°,将△ABD 沿对角线BD 折起到如图所示PBD 的位置,使平面PBD BCD ⊥平面.
⑴求证:CD PB ⊥;⑵求二面角P BC D --的余弦值大小; ⑶求点D 到平面PBC 的距离.
解:(1)折叠前,在直角梯形ABCD 中,易知∠CBD=∠ADB=45°
又∠BCD=45°
∴∠BDC=90°,即CD ⊥BD
折叠后,在三棱锥P —BCD 中,CD ⊥BD ,且平面PBD ⊥平面BCD ,BD 为交线 ∴CD ⊥平面PBD ∴CD ⊥PB
(2)取BD 中点O ,作OE ⊥BC 于E ,连PO ,PE ∵PB=PD ∴PO ⊥BD
又平面PBD ⊥平面BCD ,BD 为交线 ∴PO ⊥平面BCD 在平面BCD 射影为OE
由三垂线定理PE ⊥BC
∴∠PEO 是二面角P —BC —D 平面角
(3)设D 到平面PBC 距离为h
或者:由(1)知PB ⊥CD 又PB ⊥PD ∴PB ⊥面
PDC
∴面PDC ⊥面PBC ,PC 为交线 过D 作DH ⊥PC ,则DH ⊥面PBC ∴DH 即为D 点到面PBC 的距离
空间距离专题复习
题型一:两条异面直线间的距离
【例1】如图,在空间四边形ABCD 中,AB =BC =CD =DA =AC =BD =a ,E 、F 分别是AB 、CD 的中点. (1)求证:EF 是AB 和CD 的公垂线; (2)求AB 和CD 间的距离;
【规解答】 (1)证明:连结AF ,BF ,由已知可得AF =BF . 又因为AE =BE ,所以FE ⊥AB 交AB 于E . 同理EF ⊥DC 交DC 于点F . 所以EF 是AB 和CD 的公垂线.
(2)在Rt △BEF 中,BF =
a 23
,BE =a 2
1, 所以EF 2=BF 2-BE 2=a 2
12
,即EF =a 22.
由(1)知EF 是AB 、CD 的公垂线段,所以AB 和CD 间的距离为
a 2
2
. 【例2】如图,正四面体ABCD 的棱长为1,求异面直线AB 、CD 之间的距离. 设AB 中点为E ,连CE 、ED .
∵AC =BC ,AE =EB .∴CD ⊥AB .同理DE ⊥AB .
∴AB ⊥平面CED .设CD 的中点为F ,连EF ,则AB ⊥EF . 同理可证CD ⊥EF .∴EF 是异面直线AB 、CD 的距离.
∵CE =23,∴CF =FD =21,∠EFC =90°,EF =2221232
2
=??? ??-???
? ??. ∴AB 、CD 的距离是
2
2
. 【解后归纳】求两条异面直线之间的距离的基本方法:
(1)利用图形性质找出两条异面直线的公垂线,求出公垂线段的长度.
(2)如果两条异面直线中的一条直线与过另一条直线的平面平行,可以转化为求直线与平面的距离.
例1题图
例2题图
(3)如果两条异面直线分别在两个互相平行的平面,可以转化为求两平行平面的距离. 题型二:两条异面直线间的距离
【例3】如图(1),正四面体ABCD 的棱长为1,求:A 到平面BCD 的距离; 过A 作AO ⊥平面BCD 于O ,连BO 并延长与CD 相交于E ,连AE . ∵AB =AC =AD ,∴OB =OC =OD .∴O 是△BCD 的外心.又BD =BC =CD , ∴O 是△BCD 的中心,∴BO =
3
2BE =332332=
?. 又AB =1,且∠AOB =90°,∴AO =363312
22=???
?
??-=-BO AB .∴A 到平面BCD 的距离是36. 【例4】
在梯形ABCD 中,AD ∥BC ,∠ABC =
2
π,AB =a ,AD =3a 且sin ∠ADC =55,又PA ⊥平面ABCD ,PA =a ,
求:(1)二面角P —CD —A 的大小;(2)点A 到平面PBC 的距离.
【规解答】 (1)作AF ⊥DC 于F ,连结PF , ∵AP ⊥平面ABCD ,AF ⊥DC ,∴PF ⊥DC ,
∴∠PFA 就是二面角P —CD —A 的平面角. 在△ADF 中,∠AFD =90°,∠ADF =arcsin
55
,AD =3a ,∴AF =5
3a , 在Rt △PAF 中tan ∠PFA =
3535=
=a a AF PA ,∴∠PFA =arc tan 3
5
. (2)∵PA ⊥平面ABCD ,∴PA ⊥BC ,又BC ⊥AB ,
∴BC ⊥平面PAB ,作AH ⊥PB ,则BC ⊥AH ,∴AH ⊥平面PBC ,∵PA ⊥AB ,PA =AB =a ,
∴PB =2a ,∴AH =a 2
2. 【例5】 如图,所示的多面体是由底面为ABCD 的长方体被截面AEC 1F 所截面而得到的,其中AB=4,BC=2,
CC 1=3,BE=1.(Ⅰ)求BF 的长;(Ⅱ)求点C 到平面AEC 1F 的距离.
解法1:(Ⅰ)过E 作EH//BC 交CC 1于H ,则CH=BE=1,EH//AD ,且EH=AD. ∵AF ∥EC 1,∴∠FAD=∠C 1EH. ∴Rt △ADF ≌Rt △EHC 1.
∴DF=C 1H=2..6222=+=
∴DF BD BF
(Ⅱ)延长C 1E 与CB 交于G ,连AG , 则平面AEC 1F 与平面ABCD 相交于AG. 过C 作CM ⊥AG ,垂足为M ,连C 1M ,
由三垂线定理可知AG ⊥C 1M.由于AG ⊥面C 1MC , 且AG ?面AEC 1F ,所以平面AEC 1F ⊥面C 1MC.
在Rt △C 1CM 中,作CQ ⊥MC 1,垂足为Q ,则CQ 的长即为C 到面AEC 1F 的距离.
.11
33
417
12317
123,17
121743cos 3cos 3,.
17,1,2
2
1
1
221=+
?
=
?=
∴=?
===∠=∠=+===MC CC CM CQ GAB MCG CM MCG GAB BG AB AG BG CG
BG
CC EB 知由从而可得由
解法2:(I )建立如图所示的空间直角坐标系,则D (0,0,0),B (2,4,0), A (2,0,0),C (0,4,0),E (2,4,1),C 1(0,4,3).设F (0,0,z ). ∵AEC 1F 为平行四边形,
例3题图
B A
C
D
1
A
1
B 1
C
1
A .
62,62||).
2,4,2().2,0,0(.2),2,0,2(),0,2(,,
11的长为即于是得由为平行四边形由BF F z z EC F AEC =--=∴∴=∴-=-=∴∴
(II )设1n 为面AEC 1F 的法向量,)1,,(,11y x n ADF n =故可设不垂直于平面显然
???=+?+?-=+?+??????=?=?02020140,0,011y x y x n n 得由??
???-==∴???=+-=+.41,1,022,014y x x y 即
111),3,0,0(n CC CC 与设又=的夹角为a ,则11114cos ||||
CC n CC n α?=
=
? ∴C 到平面AEC 1F 的距离为.11
33
4333343cos ||1=?==αCC d
【例6】
正三棱柱111C B A ABC -的底面边长为8,对角线101=C B ,D 是AC 的中点。
(1)求点1B 到直线AC 的距离.(2)求直线1AB 到平面BD C 1的距离. 解:(1)连结BD ,D B 1,由三垂线定理可得:AC D B ⊥1, 所以D B 1就是1B 点到直线AC 的距离。 在BD B Rt 1?中,6810222211=-=-=
BC C B BB 34=BD .
2122121=+=∴B B BD D B .
(2)因为AC 与平面BD 1C 交于AC的中点D, 设E BC C B =?11,则1AB //DE ,所以1AB //平面BD C 1, 所以1AB 到平面BD 1C 的距离等于A点到平面BD 1C 的距离,等于C点到平面BD 1C 的距离,也就等于三棱 锥1BDC C -的高,BDC C BDC C V V --=11 ,
13
1
311CC S hS BDC BDC ??=∴,131312=∴h ,即直线1AB 到平面BD 1C 的距离是131312. 【解后归纳】求空间距离注意三点:
1.常规遵循一作二证三计算的步骤; 2.多用转化的思想求线面和面面距离; 3.体积法是一种很好的求空间距离的方法.
【例4】如图,在长方体AC 1中,AD=AA 1=1,AB=2,点E 在棱AB 上移动. (1)证明:D 1E ⊥A 1D ;
(2)当E 为AB 的中点时,求点E 到面ACD 1的距离; (3)AE 等于何值时,二面角D 1—EC —D 的大小为4
π. 解析:法1
(1)∵AE ⊥面AA 1DD 1,A 1D ⊥AD 1,∴A 1D ⊥D 1E
(2)设点E 到面ACD 1的距离为h ,在△ACD 1中,AC=CD 1=5,AD 1=2, 故.2121,232152211=??==-??=
??BC AE S S ACE C AD 而 1111
1131,1,.33223
D AEC
AEC AD C V S DD S h h h -??∴=?=?∴?=?∴=
1
A
(3
)过D 作DH ⊥CE 于H ,连D 1H 、DE ,则D 1H ⊥CE , ∴∠DHD 1为二面角D 1—EC —D 的平面角. 设AE=x ,则BE=2-x
11,, 1.
4
,,,
Rt D DH DHD DH Rt ADE DE Rt DHE EH x π
?∠=
∴=?=∴?=在中在中在中
.
4
,32.
32543.
54,3122π
的大小为二面角时中在中在D EC D AE x x x x x x CE CBE Rt CH DHC Rt ---=∴-=?+-=
+∴+-=?=?
法2:以D 为坐标原点,直线DA 、DC 、DD 1分别为x 、y 、z 轴,建立空间直角坐标系,设AE=x ,则A 1(1,0,1),D 1(0,0,1),E(1,x ,0),A(1,0,0), C(0,2,0).
(1).,0)1,,1(),1,0,1(,1111D DA x D DA ⊥=-=所以因为 (2)因为E 为AB 的中点,则E (1,1,0),
从而)0,2,1(),1,1,1(1-=-=D ,)1,0,1(1-=AD , 设平面ACD 1的法向量为),,(c b a n =,
则?????=?=?,
0,01AD n 也即???=+-=+-002c a b a ,得???==c a b a 2, 从而)2,1,2(=n ,所以点E 到平面AD 1C 的距离为.3
1
3212|
|1=-+=
=n h (3)设平面D 1EC 的法向量),,(c b a n =, ∴),1,0,0(),1,2,0(),0,2,1(11=-=-=DD D x
由???=-+=-??????=?=?.0)2(0
2,
0,01x b a c b CE n D 令b =1, ∴c=2,a =2-x ,
∴).2,1,2(x n -=依题意.2
25
)2(22
2
4
cos
211=
+-?=
=
x π ∴321+=x (不合,舍去),322-=x . ∴AE=32-时,二面角D 1—EC —D 的大小为
4
π
. 一、基础夯实
1.把边长为a 的正△ABC 沿高线AD 折成60°的二面角,则点A 到BC 的距离是 ( )
A.a
B.
a 26 C.a 33 D.a 4
15 2.△ABC 中,AB =9,AC =15,∠BAC =120°.△ABC 所在平面外一点P 到三个顶点A 、B 、C 的距离都是14,那么点P 到平面α的距离为 ( )
A.7
B.9
C.11
D.13
3.从平面α外一点P 向α引两条斜线PA ,PB .A ,B 为斜足,它们与α所成角的差是45°,它们在α的射影长分别是2cm 和12cm ,则P 到α的距离是 ( )
A.4cm
B.3cm 或4cm
C.6cm
D.4cm 或6cm
4.空间四点A 、B 、C 、D 中,每两点所连线段的长都等于a ,动点P 在线段AB 上,动点Q 在线段CD 上,则P 与Q 的最短距离为 ( ) A.a 2
1 B.a 2
2 C.a 2
3 D.a
5.在四面体P—ABC中,PA、PB、PC两两垂直.M是面ABC一点,且点M到三个面PAB、PBC、PCA的距离分别为2、
3、6,则点M到顶点P的距离是( )
A.7
B.8
C.9
D.10
6.如图,将锐角为60°,边长为a的菱形ABCD沿较短的对角线折成60°的二面角,则AC与BD的距离是
( )
A.a
4
3
B.a
4
3 C.a
2
3 D.a
4
6
7.如图,四棱锥P—ABCD的底面为正方形,PD⊥底面ABCD,PD=AD=1,设点C到平面PAB的距离为d1,点B到平面PAC的距离为d2,则有( )
A.1 B.d1 C.d1<1 D.d2 8.如图所示,在平面α的同侧有三点A、B、C,△ABC的重心为G.如果A、B、C、G到平面α的距离分别为a、b、c、d,那么a+b+c等于( ) A.2d B.3d C.4d D.以上都不对 9.如图,菱形ABCD边长为a,∠A=60°,E、F、G、H分别是AB、BC、CD、DA上的点且2 = = = = DG CG FB CF HD AH EB AE ,沿EH和FG把菱形的两锐角折起,使A、C重合,这时点A到平面EFGH的距离是( ) A. 2 a B.a 2 2 C.a 2 3 D.a 6 15 二、思维激活 10.二面角α-MN-β等于60°,平面α一点A到平面β的距离AB的长为4,则点B到α的距离为. 11.在60°的二面角α—l—β中,A∈α,AC⊥l于C,B∈β,BD⊥l于D,又AC=BD=a,CD=2a,则A、B两点间距离为. 12.设平面α外两点A和B到平面α的距离分别为4cm和1cm,AB与平面α所成的角是60°,则线段AB的长是. 13.在直角坐标系中,已知A(3,2),B(-3,-2)沿y轴把直角坐标系折成平面角为α的二面角A—Oy—B后,∠AOB=90°,则cosα的值是. 三、能力提高 14.在边长为a的菱形ABCD中,∠ABC=60°,PC⊥平面ABCD,E是PA的中点,求点E到 平 面PBC的距离. 15.在直三棱柱ABC—A1B1C1中,∠ACB为直角,侧面AB1与侧面AC1所成的二面角为60°, 第6题图 第7题图 第8题图 第9题图 第15题图 M 为AA 1上的点.∠A 1MC 1=30°,∠BMC 1=90°,AB =a . (1)求BM 与侧面AC 1所成角的正切值. (2)求顶点A 到面BMC 1的距离. 16.已知斜三棱柱ABC —A 1B 1C 1的侧面A 1ACC 1与底面ABC 垂直.∠ABC =90°,BC =2,AC =23,且 AA 1⊥A 1C ,AA 1=A 1C . (1)求侧棱A 1A 与底面ABC 所成角的大小; (2)求侧面A 1ABB 1与底面ABC 所成二面角的大小; (3)求顶点C 到侧面A 1ABB 1的距离. 17.如图,在棱长为a 的正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中,E 、F 分别为棱AB 与BC 的中点,EF 与BD 交于H . (1)求二面角B 1—EF —B 的大小. (2)试在棱B 1B 上找一点M ,使D 1M ⊥面EFB 1,并证明你的结论. (3)求点D 1到面EFB 1的距离. 空间的距离习题解答 1.D 折后BC =2a ,∴点A 到BC 的距离为41542 2a a a =?? ? ??-. 2.A BC =21120cos 159215922=???-+. ∴△ABC 外接圆半径R = 37120sin 221 =? , ∴点P 到α的距离为.7)37(1422=- 3.D 设PO ⊥α垂足为O ,|PO |=x cm ,∠OAP =β,∠OBP =γ,那么β-γ=45°, tan β= 2x ,tan γ=12 x ,tan (β-γ)=tan 45° 展开左边并整理得:x 2 -10x +24=0,解得x 1=6,x 2=4. 4.B P 、Q 的最短距离即为异面直线AB 与CD 间的距离,当P 为AB 的中点,Q 为CD 的中点时符合题意. 5.A PM =7632222=++. 6.C 取BD 的中点O 连AO 、OC ,作OE ⊥AC 于E ,则OE 为所求,∴AO =CO =AC =2 3a . 7.D 点C 到平面PAB 的距离d 1= 2 2, 点B 到平面PAC 的距离d 2= 332 1 122 1=+ ? , ∵ 12 233<<,∴d 2 312 2=+-+- c b a c b d .∴a +b + c =3 d . 9.A 设BD 的中点为O , 第17题图 ∴EO =6760cos 232232 2a a a a a =???-?? ? ??+??? ??,点A 到平面EFGH 的距离为23679422a a a =-. 10.2 作AC ⊥MN 于C ,连BC ,则BC ⊥MN , ∴∠ACB =60°,又MN ⊥平面ABC , ∴平面ABC ⊥平面α,作BD ⊥AC 于D ,则BD ⊥α, ∴BD 的长即为所求,得BD =2. 11.a 3AB =a a a a a a 360cos 2)2(222=????-++. 12.23cm 或 3 3 10cm 当点A 、B 在α同侧时,AB =3260sin 3 =?; 当点A 、B 在α异侧时,AB =3 3 1060sin 5= ? 13.9 4 如图,AB ″=26)32(22222=+=+OB OA ∵BC ⊥y 轴,B ′C ⊥y 轴, ∴∠B ′CB ″为二面角A —Oy —B 的平面角. ∠B ′CB ″=α,在△B ′CB ″中,B ′C =B ″C =3, B ′B ″=104262=-,由余弦定理易知cos α=9 4 . 14.如图,将点E 到平面PBC 的距离转化成线面距,再转化成点面距. 连AC 、BD ,设AC 、BD 交于O ,则EO ∥平面PBC , ∴OE 上任一点到平面PBC 的距离相等. ∵平面PBC ⊥平面ABCD , 过O 作OG ⊥平面PBC ,则G ∈BC , 又∠ACB=60°,AC=BC=AB=a , ∴OC = 2 a ,OG =OC sin60°=43a . 点评:若直接过E 作平面PBC 的垂线,垂足难以确定.在解答求距离时,要注意距离之间的相互转化有的能起到意 想不到的效果. 15.(1)∵三棱柱ABC —A 1B 1C 1为直三棱柱,∴∠BAC 为二面角B 1—AA 1—C 1的平面角, ∴∠BAC =60°. 又∵∠ACB 为直角,∴BC ⊥侧面AC 1. 连MC ,则MC 是MB 在侧面AC 1上的射影. ∴∠BMC 为BM 与侧面AC 1所成的角. 且∠CMC 1=90°,∠A 1MC 1=30°,所以∠AMC =60°. 设BC =m ,则AC =m 33 ,MC =3 2m , 所以tan ∠BMC = 2 3. 即BM 与侧面AC 1所成的角的正切值为 2 3. (2)过A 作AN ⊥MC ,垂足为N ,则AN ∥面MBC 1. ∵面MBC ⊥面MBC 1,且过N 作NH ⊥MB ,垂足为H , 则NH 是N 到面MBC 1的距离,也就是A 到面MBC 1的距离. ∵AB =a ,AC = 2 a ,且∠A =30°, 第13题图解 第14题图解 必修二立体几何知识点与复习题 一、判定两线平行的方法 1、平行于同一直线的两条直线互相平行 2、垂直于同一平面的两条直线互相平行 3、如果一条直线和一个平面平行,经过这条直线的平面和这个平面相交,那么这条直线就和交线平 行 4、如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那么它们的交线平行 5、在同一平面内的两条直线,可依据平面几何的定理证明 二、判定线面平行的方法 1、据定义:如果一条直线和一个平面没有公共点 2、如果平面外的一条直线和这个平面内的一条直线平行,则这条直线和这个平面平行 3、两面平行,则其中一个平面内的直线必平行于另一个平面 4、平面外的两条平行直线中的一条平行于平面,则另一条也平行于该平面 5、平面外的一条直线和两个平行平面中的一个平面平行,则也平行于另一个平面 三、判定面面平行的方法 1、定义:没有公共点 2、如果一个平面内有两条相交直线都平行于另一个平面,则两面平行 3 垂直于同一直线的两个平面平行 4、平行于同一平面的两个平面平行 四、面面平行的性质 1、两平行平面没有公共点 2、两平面平行,则一个平面上的任一直线平行于另一平面 3、两平行平面被第三个平面所截,则两交线平行 4、垂直于两平行平面中一个平面的直线,必垂直于另一个平面 五、判定线面垂直的方法 1、如果一条直线和一个平面内的两条相交线垂直,则线面垂直 2、如果两条平行直线中的一条垂直于一个平面,则另一条也垂直于该平面 3、一条直线垂直于两个平行平面中的一个平面,它也垂直于另一个平面 4、如果两个平面垂直,那么在一个平面内垂直它们交线的直线垂直于另一个平面 5、如果两个相交平面都垂直于另一个平面,那么它们的交线垂直于另一个平面 六、判定两线垂直的方法 1、定义:成? 90角 2、直线和平面垂直,则该线与平面内任一直线垂直 3、在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线的射影垂直,那么它也和这条斜线垂直 4、在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线垂直,那么它也和这条斜线的射影垂直 5、一条直线如果和两条平行直线中的一条垂直,它也和另一条垂直 七、判定面面垂直的方法 1、定义:两面成直二面角,则两面垂直 2、一个平面经过另一个平面的一条垂线,则这个平面垂直于另一平面 八、面面垂直的性质 1、二面角的平面角为? 90 2、在一个平面内垂直于交线的直线必垂直于另一个平面 3、相交平面同垂直于第三个平面,则交线垂直于第三个平面 九、各种角的范围 1、异面直线所成的角的取值范围是:? ≤ < ?90 0θ(]? ?90 , 2、直线与平面所成的角的取值范围是:? ≤ ≤ ?90 0θ[]? ?90 , 3、斜线与平面所成的角的取值范围是:? ≤ < ?90 0θ(]? ?90 , 4、二面角的大小用它的平面角来度量;取值范围是:? ≤ < ?180 0θ(]? ?180 , 十、三角形的心 1、内心:内切圆的圆心,角平分线的交点 2、外心:外接圆的圆心,垂直平分线的交点 3、重心:中线的交点 4、垂心:高的交点 考点一,几何体的概念与性质 【基础训练】 1.判定下面的说法是否正确: (1)有两个面互相平行,其余各个面都是平行四边形的几何体叫棱柱. (2)有两个面平行,其余各面为梯形的几何体叫棱台. 2.下列说法不正确的是() A.空间中,一组对边平行且相等的四边形一定是平行四边形。 B.同一平面的两条垂线一定共面。 C.过直线上一点可以作无数条直线与这条直线垂直,且这些直线都在同一平面内。 D.过一条直线有且只有一个平面与已知平面垂直。 【高考链接】 1.设α和β为不重合的两个平面,给出下列命题: (1)若α内的两条相交直线分别平行于β内的两条直线,则α平行于β;(2)若α外一条直线l与α内的一条直线平行,则l和α平行; (3)设α和β相交于直线l,若α内有一条直线垂直于l,则α和β垂直; 立体几何新题型的解题技巧 立体几何新题型的解题技巧 【命题趋向】 在高考中立体几何命题有如下特点: 1.线面位置关系突出平行和垂直,将侧重于垂直关系. 2.多面体中线面关系论证,空间“角”与“距离”的计算常在解答题中综合出现. 3.多面体及简单多面体的概念、性质多在选择题,填空题出现. 4.有关三棱柱、四棱柱、三棱锥的问题,特别是与球有关的问题将是高考命题的热点. 此类题目分值一般在17---22分之间,题型一般为1个选择题,1个填空题,1个解答题. 【考点透视】 (A)版.掌握两条直线所成的角和距离的概念,对于异面直线的距离,只要求会计算已给出公垂线时的距离.掌握斜线在平面上的射影、直线和平面所成的角、直线和平面的距离的概念.掌握二面角、二面角的平面角、两个平行平面间的距离的概念. (B)版. ①理解空间向量的概念,掌握空间向量的加法、减法和数乘. ②了解空间向量的基本定理,理解空间向量坐标的概念,掌握空间向量的坐标运算. ③掌握空间向量的数量积的定义及其性质,掌握用直角坐标计算空间向量数量积公式. ④理解直线的方向向量、平面的法向量,向量在平面内的射影等概念. ⑤了解多面体、凸多面体、正多面体、棱柱、棱锥、球的概念. ⑥掌握棱柱、棱锥、球的性质,掌握球的表面积、体积公式. ⑦会画直棱柱、正棱锥的直观图. 空间距离和角是高考考查的重点:特别是以两点间距离,点到平面的距离,两异面直线的距离,直线与平面的距离以及两异面直线所成的角,直线与平面所成的角,二面角等作为命题的重点内容,高考试题中常将上述内容综合在一起放在解答题中进行考查,分为多个小问题,也可能作为客观题进行单独考查.考查空间距离和角的试题一般作为整套试卷的中档题,但也可能在最后一问中设置有难度的问题. 不论是求空间距离还是空间角,都要按照“一作,二证,三算”的步骤来完成,即寓证明于运算之中,正是本专题的一大特色. 求解空间距离和角的方法有两种:一是利用传统的几何方法,二是利用空间向量。 D C 1 A 1 B 1 C 1 D B C A D 立体几何专题----空间角 知识点归纳 1、异面直线所成的角 异面直线所成角的定义: 如图,已知两条异面直线 a , b , 经过空间任一点O作直线 a′∥a , b ′∥b 则把 a ′ 与 b ′所成的锐角(或直角)叫做异面直线所成的角(或夹角). a b 注1:异面直线所成的角的范围( 0O , 90O ] 注2:如果两条异面直线 a , b 所成的角为直角,我们就称这两条直线互相垂直 , 记为a ⊥ b 注3:在求作异面直线所成的角时,O点常选在其中的一条直线上(如线段的端点,线段的中点等) 2 、直线与平面所成的角 平面的一条斜线和它在平面内的射影所成的锐角,叫做这条直线和这个平面所成的角 (1)一条直线垂直于平面,它们所成的角是直角 (2)一条直线和平面平行,或在平面内,它们所成的角是0 ?的角 (3)直线和平面所成角的范围是[0?,90?] 3、二面角: 如右图在二面角的棱l取一点O,以点O为垂足,在半平面α和β内分别作垂直于棱l的射线OA和OB,则 叫做二面角的平面角. 注:①二面角的平面角的大小与O点位置_____ _。 ②二面角的平面角的范围是_______ 。 ③平面角为______的二面角叫做直二面角。 试题探究: 1、如图:表示正方体 1 1 1 1 D C B A ABCD-, 求异面直线 1 1 CC BA和所成的角。 2、空间四边形ABCD中,2 AD BC ==,,E F分别是, AB CD的中点,3 EF=, 求异面直线, AD BC所成的角。 3、在单位正方体 1111 ABCD A B C D -中,试求直线 1 BD与平面ABCD所成的角. 4、在单位正方体 1111 ABCD A B C D -中,求直线 11 A C与截面 11 ABC D所成的角. 5、将一副三角板如图拼接,∠BAC=∠BCD=90°,AB=AC,∠BDC=60°,且平面ABC⊥平面BCD, (1)求证:平面ABD⊥平面ACD;(2)求二面角A-BD-C的正切值;(3)求异面直线AD与BC所成角的余弦值. a′O b′ a P α O A O A B D C A 1 B 1 C 1 D A F E D B A B D B 1 A 1 C 1 D 1 、选择题 1.正方形ABCD边长为2, E、F分别是AB和CD的中点,将正方形沿 面角(如图),M为矩形AEFD内一点,如果/ MBE= / MBC , MB和平面BCF 1 值为1,那么点M至?线EF的距离为 ( 2 D.- 2 2 .三棱柱ABC—A1B1C1 中,AA i=1 , AB =4, BC= 3 , / ABC=90 °,设平面 ABC的交线为I,则A1C1与I的距离为() 二、填空题 4.如右上图,ABCD与ABEF均是正方形,如果二面角E—AB—C的度数为30°, 那么EF与平面ABCD的距离为 三、解答题 (1)求证:平面A1BC1 //平面ACD1; 立体几何--空间的距离 EF折成直二 所成角的正切 B.1 A i BC i与平面 A J10 B. TH C.2.6 D.2.4 3.如左下图,空间四点A、B、C、D中,每两点所连线段的长都等于a,动点P在线段AB上,动点Q在线段CD上,则P与Q的最短距离为 5.在长方体如图: (2)求(1)中两个平行平面间的距离; ⑶求点B i到平面A i BC i的距离. 6.已知正四棱柱ABCD —A i B i C i D i,点E在棱D i D上,截面EAC // D i B且面EAC与底面ABCD所成的角为45° ,AB=a,求: (i)截面EAC的面积; ⑵异面直线A i B i与AC之间的距离; ⑶三棱锥B i —EAC的体积. 7?如图,已知三棱柱A i B i C i —ABC的底面是边长为2的正三角形, AC均成45°角,且A i E丄B i B于E, A i F丄CC i于F. (i)求点A到平面B i BCC i的距离; ⑵当AA i多长时,点A i到平面ABC与平面B i BCC i的距离相等. &如图,在梯形ABCD 中,AD // BC,/ ABC = —,AB= 2 2 / ADC=arccos—75 ,PA丄面ABCD 且PA=a. 5 (i)求异面直线AD与PC间的距离; (2)在线段AD上是否存在一点F,使点A到平面PCF的距离为亨 【空间的距离参考答案】 一、i.解析:过点M作MM '丄EF,则MM '丄平面BCF ?// MBE= / MBC ??? BM '为/ EBC为角平分线, £■ 侧棱A i A与AB 、 i -AD=a, 3 线面角的求法 1.直接法 :平面的斜线与斜线在平面内的射影所成的角即为直线与平面所成的角。通常是解由斜线段,垂线段,斜线在平面内的射影所组成的直角三角形,垂线段是其中最重要的元素,它可以起到联系各线段的作用。 例1 ( 如图1 )四面体ABCS 中,SA,SB,SC 两两垂直,∠SBA=45°, ∠SBC=60°, M 为 AB 的中点,求(1)BC 与平面SAB 所成的角。(2)SC 与平面ABC 所成的角。 B M H S C A 解:(1) ∵SC ⊥SB,SC ⊥SA, 图1 ∴SC ⊥平面SAB 故 SB 是斜线BC 在平面SAB 上的射影, ∴∠SBC 是直线BC 与平面SAB 所成的角为60°。 (2) 连结SM,CM ,则SM ⊥AB, 又∵SC ⊥AB,∴AB ⊥平面SCM, ∴面ABC ⊥面SCM 过S 作SH ⊥CM 于H, 则SH ⊥平面ABC ∴CH 即为 SC 在面ABC 内的射影。 ∠SCH 为SC 与平面ABC 所成的角。 sin ∠SCH=SH /SC ∴SC 与平面ABC 所成的角的正弦值为√7/7 (“垂线”是相对的,SC 是面 SAB 的垂线,又是面 ABC 的斜线. 作面的垂线常根据面面垂直的性质定理,其思路是:先找出与已知平面垂直的平面,然后一面内找出或作出交线的垂线,则得面的垂线。) 2. 利用公式sin θ=h /ι 其中θ是斜线与平面所成的角, h 是 垂线段的长,ι是斜线段的长,其中求出垂线段的长(即斜线上的点到面的距离)既是关键又是难点,为此可用三棱锥的体积自等来求垂线段的长。 例2 ( 如图2) 长方体ABCD-A 1B 1C 1D 1 , AB=3 ,BC=2, A 1A= 4 ,求AB 与面 AB 1C 1D 所成的角。 A 1 C 1 D 1 H 4 C B 1 23 B A D 解:设点 B 到AB 1C 1D 的距离为h ,∵V B ﹣AB 1C 1 =V A ﹣BB 1C 1 ∴1/3 S △AB 1C 1 ·h= 1/3 S △BB 1C 1 ·AB,易得h=12/5 , 1.判定两个平面平行的方法: (1)根据定义——证明两平面没有公共点; (2)判定定理——证明一个平面内的两条相交直线都平行于另一个平面; (3)证明两平面同垂直于一条直线。 2.两个平面平行的主要性质: ⑴由定义知:“两平行平面没有公共点”。 ⑵由定义推得:“两个平面平行,其中一个平面内的直线必平行于另一个平面。 ⑶两个平面平行的性质定理:“如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那么它们的交线平行”。 ⑷一条直线垂直于两个平行平面中的一个平面,它也垂直于另一个平面。 ⑸夹在两个平行平面间的平行线段相等。 ⑹经过平面外一点只有一个平面和已知平面平行。 3.空间的角和距离是空间图形中最基本的数量关系,空间的角主要研究射影以及与射影有关的定理、空间两直线所成的角、直线和平面所成的角、以及二面角和二面角的平面角等.解这类问题的基本思路是把空间问题转化为平面问题去解决. 空间的角,是对由点、直线、平面所组成的空间图形中各种元素间的位置关系进行定量 分析的一个重要概念,由它们的定义,可得其取值范围,如两异面直线所成的角θ∈(0,2 π ], 直线与平面所成的角θ∈0,2π?? ????,二面角的大小,可用它们的平面角来度量,其平面角θ∈[0, π ]. 对于空间角的计算,总是通过一定的手段将其转化为一个平面内的角,并把它置于一个平面图形,而且是一个三角形的内角来解决,而这种转化就是利用直线与平面的平行与垂直来实现的, 如求异面直线所成的角常用平移法(转化为相交直线)与向量法;求直线与平面所成的角常利用射影转化为相交直线所成的角;而求二面角-l -的平面角(记作)通常有以 下几种方法: (1) 根据定义; (2) 过棱l 上任一点O 作棱l 的垂面 ,设 ∩ =OA , ∩ =OB ,则∠AOB = ; (3) 利用三垂线定理或逆定理,过一个半平面内一点A ,分别作另一个平面的垂线 AB (垂足为B ),或棱l 的垂线AC (垂足为C ),连结AC ,则∠ACB = 或∠ACB =-; (4) 设A 为平面外任一点,AB ⊥ ,垂足为B ,AC ⊥ ,垂足为C ,则∠BAC = 或 ∠BAC =-; (5) 利用面积射影定理,设平面 内的平面图形F 的面积为S ,F 在平面 内的射影图形 文科立体几何线面角二面角专题 学校:___________姓名:___________班级:___________考号:___________ 一、解答题 1.如图,在三棱锥中,,,为的中点.(1)证明:平面; (2)若点在棱上,且二面角为,求与平面所成角的正弦值. 2.如图,在三棱锥中,,,为的中点.(1)证明:平面; (2)若点在棱上,且,求点到平面的距离. 3.(2018年浙江卷)如图,已知多面体ABCA1B1C1,A1A,B1B,C1C均垂直于平面ABC,∠ABC=120°,A1A=4,C1C=1,AB=BC=B1B=2. (Ⅰ)证明:AB1⊥平面A1B1C1; (Ⅱ)求直线AC1与平面ABB1所成的角的正弦值. 4.如图,在三棱柱中,点P,G分别是,的中点,已知⊥平面 ABC,==3,==2. (I)求异面直线与AB所成角的余弦值; (II)求证:⊥平面; (III)求直线与平面所成角的正弦值. 5.如图,四棱锥,底面是正方形,,,,分别是,的中点. (1)求证; (2)求二面角的余弦值. 6.如图,三棱柱中,侧棱底面,且各棱长均相等.,,分别为棱,,的中点. (1)证明:平面; (2)证明:平面平面; (3)求直线与直线所成角的正弦值. 7.如图,在四边形ABCD中,AB//CD,∠AB D=30°,AB=2CD=2AD=2,DE⊥平面ABCD,EF//BD,且BD=2EF. (Ⅰ)求证:平面ADE⊥平面BDEF; (Ⅱ)若二面角C BF D的大小为60°,求CF与平面ABCD所成角的正弦值. 8.如图,在四棱锥中,平面,,, ,点是与的交点,点在线段上,且. (1)证明:平面; (2)求直线与平面所成角的正弦值. 9.在多面体中,底面是梯形,四边形是正方形,,,,, (1)求证:平面平面; (2)设为线段上一点,,求二面角的平面角的余弦值. 10.如图,在多面体中,四边形为等腰梯形,,已知,,,四边形为直角梯形,,. (1)证明:平面,平面平面; 一、判定两线平行的方法 1、平行于同一直线的两条直线互相平行 2、垂直于同一平面的两条直线互相平行 3、如果一条直线和一个平面平行,经过这条直线的平面和这个平面相交,那么这条直线 就和交线平行 4、如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那么它们的交线平行 5、在同一平面内的两条直线,可依据平面几何的定理证明 二、判定线面平行的方法 1、据定义:如果一条直线和一个平面没有公共点 2、如果平面外的一条直线和这个平面内的一条直线平行,则这条直线和这个平面平 行 3、两面平行,则其中一个平面内的直线必平行于另一个平面 4、平面外的两条平行直线中的一条平行于平面,则另一条也平行于该平面 5、平面外的一条直线和两个平行平面中的一个平面平行,则也平行于另一个平面 三、判定面面平行的方法 1、定义:没有公共点 2、如果一个平面内有两条相交直线都平行于另一个平面,则两面平行 3 垂直于同一直线的两个平面平行 4、平行于同一平面的两个平面平行 四、面面平行的性质 1、两平行平面没有公共点 2、两平面平行,则一个平面上的任一直线平行于另一平面 3、两平行平面被第三个平面所截,则两交线平行 4、垂直于两平行平面中一个平面的直线,必垂直于另一个平面 五、判定线面垂直的方法 1、定义:如果一条直线和平面内的任何一条直线都垂直,则线面垂直 2、如果一条直线和一个平面内的两条相交线垂直,则线面垂直 3、如果两条平行直线中的一条垂直于一个平面,则另一条也垂直于该平面 4、一条直线垂直于两个平行平面中的一个平面,它也垂直于另一个平面 5、如果两个平面垂直,那么在一个平面内垂直它们交线的直线垂直于另一个平面 6、如果两个相交平面都垂直于另一个平面,那么它们的交线垂直于另一个平面 六、判定两线垂直的方法 1、定义:成90 角 2、直线和平面垂直,则该线与平面内任一直线垂直 3、在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线的射影垂直,那么它也和这条斜线 垂直 4、在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线垂直,那么它也和这条斜线的射影 垂直 5 、一条直线如果和两条平行直线中的一条垂直,它也和另一条垂直 七、判定面面垂直的方法 1、定义:两面成直二面角, 则两面垂直 2、一个平面经过另一个平面的一条垂线,则这个平面垂直于另一平面 八、面面垂直的性质 1、二面角的平面角为90 空间距离问题 (专注高三数学辅导:) 空间中距离的求法是历年高考考查的重点,其中以点与点、点到线、点到面的距离为基础,求其他几种距离一般化归为这三种距离. ●难点磁场 (★★★★)如图,已知ABCD是矩形,AB=a,AD=b,PA⊥平面ABCD,PA=2c,Q 是PA的中点. 求:(1)Q到BD的距离; (2)P到平面BQD的距离. 。 P为RT△ABC所在平面α外一点,∠ACB=90°(如图) (1)若PC=a,∠PCA=∠PCB=60°,求P到面α的距离及PC和α所成的角 (2)若PC=24,P到AC,BC的距离都是6√10,求P到α的距离及PC和α所成角 (3)若PC=PB=PA,AC=18,P到α的距离为40,求P到BC的距离 ●案例探究 [例1]把正方形ABCD 沿对角线AC 折起成直二面角,点E 、F 分别是AD 、BC 的中点,点O 是原正方形的中心,求: (1)EF 的长; (2)折起后∠EOF 的大小. 命题意图:考查利用空间向量的坐标运算来解决立体几何问题,属★★★★级题目. < 知识依托:空间向量的坐标运算及数量积公式. 错解分析:建立正确的空间直角坐标系.其中必 须保证x 轴、y 轴、z 轴两两互相垂直. 技巧与方法:建系方式有多种,其中以O 点为原点,以OB 、OC 、OD 的方向分别为x 轴、y 轴、z 轴的正方向最为简单. 解:如图,以O 点为原点建立空间直角坐标系O —xyz ,设正方形ABCD 边长为a ,则A (0,-22a ,0),B (2 2 a ,0,0),C (0, 2 2 a ,0),D (0,0, 22a ),E (0,-4 2a , a ),F ( 42a , 4 2 a ,0) 21| |||,cos ,2||,2||8042)42)(42(420) 0,4 2 ,42(),42,42,0()2(23 ,43)420()4242()042(||)1(2 2222-=>=<== - =?+-+?=?=-==∴=-+++-=OF OE OF OE OF OE a OF a OE a a a a a OF OE a a OF a a OE a EF a a a a a EF ∴∠EOF =120° [例2]正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1的棱长为1,求异面直线A 1C 1与AB 1间的距离. 命题意图:本题主要考查异面直线间距离的求法,属★★★★级题目. 知识依托:求异面直线的距离,可求两异面直线的公垂线,或转化为求线面 高考中常见的立体几何题型和解题方法 黔江中学高三数学教师:付 超 高考立体几何试题一般共有2——3道(选择、填空题1——2道, 解答题1道), 共计总分18——23分左右,考查的知识点在20个以内. 选择填空题考核立几中的 逻辑推理型问题, 而解答题着重考查立几中的计算型问题, 当然, 二者均应以正 确的空间想象为前提. 随着新的课程改革的进一步实施,立体几何考题正朝着“多 一点思考,少一点计算”的方向发展.从历年的考题变化看, 以简单几何体为载体 的线面位置关系的论证,角与距离的探求是常考常新的热门话题. 一、知识整合 1.有关平行与垂直(线线、线面及面面)的问题,是在解决立体几何问题的过 程中,大量的、反复遇到的,而且是以各种各样的问题(包括论证、计算角、与 距离等)中不可缺少的内容,因此在主体几何的总复习中,首先应从解决“平行 与垂直”的有关问题着手,通过较为基本问题,熟悉公理、定理的内容和功能, 通过对问题的分析与概括,掌握立体几何中解决问题的规律——充分利用线线平 行(垂直)、线面平行(垂直)、面面平行(垂直)相互转化的思想,以提高逻辑思维能 力和空间想象能力. 2. 判定两个平面平行的方法: (1)根据定义——证明两平面没有公共点; (2)判定定理——证明一个平面内的两条相交直线都平行于另一个平面; (3)证明两平面同垂直于一条直线。 3.两个平面平行的主要性质: ⑴由定义知:“两平行平面没有公共点”。 ⑵由定义推得:“两个平面平行,其中一个平面内的直线必平行于另一个平 面。 ⑶两个平面平行的性质定理:“如果两个平行平面同时和第三个平面相交, 那 么它们的交线平行”。 ⑷一条直线垂直于两个平行平面中的一个平面,它也垂直于另一个平面。 ⑸夹在两个平行平面间的平行线段相等。 ⑹经过平面外一点只有一个平面和已知平面平行。 以上性质⑵、⑷、⑸、⑹在课文中虽未直接列为“性质定理”,但在解题过 程中均可直接作为性质定理引用。 4.空间角和距离是空间图形中最基本的数量关系,空间角主要研究射影以 及与射影有关的定理、空间两直线所成的角、直线和平面所成的角、以及二面角 和二面角的平面角等.解这类问题的基本思路是把空间问题转化为平面问题去解 决. 空间角,是对由点、直线、平面所组成的空间图形中各种元素间的位置关系 进行定量分析的一个重要概念,由它们的定义,可得其取值范围,如两异面直线 所成的角θ∈(0,2π],直线与平面所成的角θ∈0,2π?????? ,二面角的大小,可用它们的平面角来度量,其平面角θ∈[0,π].对于空间角的计算,总是通过一定 的手段将其转化为一个平面内的角,并把 它置于一个平面图形,而且是一个三 高一必修二经典立体几何专项练习题 空间中直线与平面、平面与平面之间的位置关系 1、直线与平面有三种位置关系: (1)直线在平面内——有无数个公共点 (2)直线与平面相交——有且只有一个公共点 (3)直线在平面平行——没有公共点 指出:直线与平面相交或平行的情况统称为直线在平面外,可用a α来表示 a α a∩α=A a∥α 2.2.直线、平面平行的判定及其性质 2.2.1 直线与平面平行的判定 1、直线与平面平行的判定定理:平面外一条直线与此平面内的一条直线平行,则该直线与此平面平行。 简记为:线线平行,则线面平行。 符号表示: a α b β => a∥α a∥b 2.2.2 平面与平面平行的判定 1、两个平面平行的判定定理:一个平面内的两条交直线与另一个平面平行,则这两个平面平行。 符号表示: aβ bβ a∩b =pβ∥α a∥α b∥α 2、判断两平面平行的方法有三种: (1)用定义; (2)判定定理; (3)垂直于同一条直线的两个平面平行。 2.2.3 —2.2.4直线与平面、平面与平面平行的性质 1、直线与平面平行的性质定理:一条直线与一个平面平行,则过这条直线的任一平面与此平面的交线与该直线平行。 简记为:线面平行则线线平行。 符号表示: a ∥α a β a∥b α∩β= b 作用:利用该定理可解决直线间的平行问题。 2、两个平面平行的性质定理:如果两个平行的平面同时与第三个平面相交,那么它们的交线平行。 符号表示: α∥β α∩γ=a a∥b β∩γ=b 作用:可以由平面与平面平行得出直线与直线平行 2.3直线、平面垂直的判定及其性质 2.3.1直线与平面垂直的判定 1、定义:如果直线L与平面α内的任意一条直线都垂直,我们就说直线L与平面α互相垂直,记作L⊥α,直线L叫做平面α的垂线,平面α叫做直线L的垂面。如图,直线与平面垂直时,它们唯一公共点P叫做垂足。 P a L 2、直线与平面垂直的判定定理:一条直线与一个平面内的两条相交直线都垂直,则该直线与此平面垂直。 注意点: a)定理中的“两条相交直线”这一条件不可忽视; b)定理体现了“直线与平面垂直”与“直线与直线垂直”互相转化的数学思想。 2.3.2平面与平面垂直的判定 1、二面角的概念:表示从空间一直线出发的两个半平面所组成的图形 A 立体几何及解题技巧以及空间距离专题复习 知识点整理 (一)平行与垂直的判断 ⑴平行:设,的法向量分别为U,V ,贝U 直线l,m 的方向向量分 别为a,b ,平面 线线平行i // m a 〃 b a 诂;线面平行i // a u a u 0 ; 面面平行// u // v u J. ⑵ 垂直:设直线l ,m 的方向向量分别为a,b ,平面,的法向量 分别为u,v ,则 线线垂直I 丄m a 丄b ab 0 ;线面垂直I 丄 a // u a ku 「; 面面垂直丄 u 丄v u v 0. (二)夹角与距离的计算 注意:以下公式可以可以在非正交 基底下用,也可以在正交基底下用坐标运算 (1)夹角:设直线l ,m 的方向向量分别为,平面,的法向量 分别为u ,v ,则 ①两直线I ,m 所成的角为 (2)空间距离 ②直线I 与平面 ③二面角一I 的大小为(0< < ),cos cos (0< =2),sin 所成的角为 点、直线、平面间的距离有种.点到平面的距离是重点,两异面直线间的距离是难 ①点到平面的距离h:(定理)如图,设n是是平 面的法向量,AP是平面的一条斜线,其中A 则点P到平面的距离 uuu uu ②h 1 Auur n |(实质是AP在法向量n 方向上的投影的绝对值) |n| uuu ur ③异面直线l i,l2间的距离d: d AB JC』1( 11,12的公垂向量为 |n| ' n, C、D分别是h,l2上任一点). 题型一:非正交基底下的夹角、的计算 例1.如图,已知二面角-I - 点 A , B , A C I于点C, 且 AC=CD=DB=1. 求:(1) A、B两点间的距离; (2)求异面直线AB和CD勺所成的角(3) AB与CD勺距 离. 解:设AC a,CD b,DB c,则 |a| |b| |c| 1, a,b b,c 900, a,c 60°, 2 ? ? 2 ?? 2 ■■ 2 |AB | a b c . a b c 2a b 2b c 2c a 2 A、B两点间的距离为2. (2)异面直线AB和CD的所成的角为60° 高中数学立体几何练习题精选试卷 姓名班级学号得分 说明: 1、本试卷包括第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分。满分100分。考试时间90分钟。 2、考生请将第Ⅰ卷选择题的正确选项填在答题框内,第Ⅱ卷直接答在试卷上。考试结束后,只收第Ⅱ卷 第Ⅰ卷(选择题) 一.单选题(每题2分,共40分) 1.设直线l,m和平面α,β,下列条件能得到α∥β的有() ①l?α,m?α,且l∥β,m∥β; ②l?α,m?α且l∥m; ③l∥α,m∥β且l∥m. A.1个B.2个C.3个D.0个 2.一个四面体中如果有三条棱两两垂直,且垂足不是同一点,这三条棱就象中国武术中的兵器--三节棍,所以,我们常把这类四面体称为“三节棍体”,三节棍体ABCD四个顶点在空间直角坐标系中的坐标分别为A(0,0,0)、B(0,4,0)、C(4,4,0)、D(0,0,2),则此三节棍体外接球的表面积是() A.36πB.24πC.18πD.12π 3.一个圆锥的侧面展开图的圆心角为90°,它的表面积为a,则它的底面积为()A.B.C.D. 4、如图,三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱长和底面边长均为4,且侧棱AA1⊥底面ABC,其主视图是边长为4的正方形,则此三棱柱的侧视图的面积为() A.16B.2C.4D. 5.三棱锥P-ABC的侧棱PA,PB,PC两两互相垂直,且PA=PB=PC=2,则三棱锥P-ABC的外接球的体积是() A.2πB.4πC.πD.8π 6.在正方体ABCD-A′B′C′D′中,过对角线BD‘的一个平面交AA′于点E,交CC′于点F.则下列结论正确的是() ①四边形BFD′E一定是平行四边形 ②四边形BFD′E有可能是正方形 ③四边形BFD′E在底面ABCD的投影一定是正方形 ④四边形BFD′E有可能垂于于平面BB′D. A.①②③④B.①③④C.①②④D.②③④ 7.如图,在四面体A-BCD中,AB⊥平面BCD,BC⊥CD,若AB=BC=CD=1,则AD=() 第十一讲 立体几何之空间距离 一、空间距离包括: 点与点、点与线、点与面、线与线(异面直线)、线与面(线面平行)、面与面(面面平行)的距离。要理解各个距离的概念。 二、空间距离的求法 重点掌握:线线距离、点面距离、尤其点面距离 (1) 线线距离:找公垂线段 (2) 点面距离 ① 直接法(过点向面作作垂线段,即求公垂线段长度) ② 等体积法(三棱锥) ③ 向量法:设平面α的法向量为n ,P 为平面α外一点,Q 是平面α内任一点,则 点P 到平面α的距离为d 等于PQ 在法向量n 上的投影绝对值。d =三、例题讲解 1、下列命题中: ①ABCD PA 矩形⊥所在的平面,则P 、B 间的距离等于P 到BC 的距离; ②若,,,//αα??b a b a 则a 与b的距离等于a 与α的距离; ③直线a 、b是异面直线,,//,ααb a ?则a 、b 之间的距离等于b 与α的距离 ④直线a 、b是异面直线,,//,,βαβα且??b a 则a 、b 之间的距离等于βα、间的距离 其中正确的命题个数有( C ) A . 1个 B. 2个 C. 3个 D. 4个 2、如图所示,正方形的棱长为1,C、D 为两条棱的中点,A 、B 、M 是顶点,那么点M 到截面ABCD 的距离是____________。 解析:取AB 、C D中点P、Q ,易证MPQ ?中,PQ 边长的高MH 为所求,423,22== PQ PM 3 2=∴MH 3、在底面是正方形的四棱锥A-B CD E中,BCDE AE 底面⊥且AE=CD =a , G、H是BE 、ED 的中点,则GH 到面ABD 的距离是____________。 解析:连结EC ,交BD 于O,且交GH 于O ',则有平面ABD AEO 面⊥。 过E作AO EK ⊥于K ,则所求距离等于a AO EO AE EK 6 32121=?= 4、如图,在棱长为a 的正方体1111D C B A ABCD -中,E 、F 分别为棱AB 和B C的中点,G为上底面1111D C B A 的中心,则点D 到平面EF B 1的距离___________。 解:方法1:建立如图直角坐标系, 第一章 空间几何体 一、常见几何体的定义 能说出棱柱、棱锥、棱台、圆柱、圆锥、圆台、球的定义和性质。 二、常见几何体的面积、体积公式 1.圆柱:侧面积rl cl S π2==侧 (其中c 是底面周长,r 是底面半径,l 是圆柱的母线,也是高) 表面积)(2222l r r r rl S S S +=?+=+=πππ底侧表 h r sh V 2π==柱体 2.圆锥:侧面积rl cl S π== 2 1侧 (其中c 是底面周长,r 是底面半径,l 是圆锥的母线) 表面积)(2l r r r rl S S S +=+=+=πππ底侧表 h r sh V 23 131π==椎体 3.圆台:侧面积l R r l R r S )(2 )22(+=+=πππ侧 (其中r 、R 是上下底面半径,l 是圆台的母线) 表面积)()(2222R r Rl rl R r l R r S S S +++=+++=+=ππππ底侧表 h S S S S V )(3 1''++=台体 (其中'S 、S 是上下底面面积,h 是圆台的高) 4.球:表面积24R S π=表,体积33 4R V π=球 三、直观图:会用斜二侧画法画出平面图形的直观图。 画法步骤:①在原图中画一个直角坐标系,在新图中画一个夹角为45°的坐标系; ②与x 轴平行的线段仍然与x 轴平行,长度不变; 与y 轴平行的线段仍然与y 轴平行,但是长度减半。 四、三视图 1.投影:光线照射物体留在屏幕上的影子。 ①中心投影:光由一点向外散射形成的投影。 ②平行投影:在平行光线照射下形成的投影。 ③正投影:光线正对着投影面时的平行投影。 2.三视图:正视图:光线从前向后的正投影; 侧视图:光线从左向右的正投影; 俯视图:光线从上向下的正投影。 三视图的性质: 侧视图和正视图的高相同;俯视图和正视图的长相同;侧视图和俯视图的宽相同。 第二章:点、直线、平面之间的位置关系 一、立体几何中的公理与基本关系 1.平面公理: 公理1:如果一条直线上有两个点在一个平面内,那么这条直线在此平面内。 公理2:过不在一条直线上的三个点,有且只有一个平面。 推论1:一条直线和直线外一点确定一个平面。 推论2:两条相交直线确定一个平面。 推论3:两条平行直线确定一个平面。 公理3:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的平面。 公理4:平行于同一条直线的两条直线互相平行。【本公理也称为平行直线的传递性】 立体几何中角度距离的求法 一 空间向量及其运算 1 .空间向量的坐标表示及应用 (1)数量积的坐标运算 设a =(a 1,a 2,a 3),b =(b 1,b 2,b 3),则a·b =___________. (2)共线与垂直的坐标表示 设a =(a 1,a 2,a 3),b =(b 1,b 2,b 3),则a ∥b ?______________ a ⊥b ?__________?________________________(a ,b 均为非零向量). (3)模、夹角和距离公式 设a =(a 1,a 2,a 3),b =(b 1,b 2,b 3), 则|a |=a·a =__________________, cos 〈a ,b 〉=a·b |a||b|=__________. 设A (a 1,b 1,c 1),B (a 2,b 2,c 2), 则d AB =|AB → |=___________. 2.空间向量的数量积及运算律 (1)数量积及相关概念 ①两向量的夹角,已知两个非零向量a ,b ,在空间任取一点O ,作OA →=a ,OB → =b ,则∠AOB 叫做向量a 与b 的夹角,记作____________,其范围是____________,若〈a ,b 〉=π2,则 称a 与b __________,记作a ⊥b . ②两向量的数量积,已知空间两个非零向量a ,b ,则____________叫做向量a ,b 的数量积,记作__________,即__________________. (2)空间向量数量积的运算律①结合律:(λa )·b =____________; ②交换律:a·b =__________; ③分配律:a·(b +c )=__________. 2.共线向量、共面向量定理和空间向量基本定理 (1)共线向量定理对空间任意两个向量a ,b (b ≠0),a ∥b 的充要条件是 ________________________. 推论,如图所示,点P 在l 上的充要条件是:OP →=OA → +t a ① 其中a 叫直线l 的方向向量,t ∈R ,在l 上取AB → =a , 则①可化为OP →=________或OP →=(1-t )OA →+tOB → . (2)共面向量定理的向量表达式:p =____________,其中x ,y ∈R ,a ,b 为不共线向量,推论的表达式为MP →=xMA →+yMB →或对空间任意一点O ,有OP →=____________或OP →=xOM → +yOA →+zOB → ,其中x +y +z =______. (3)空间向量基本定理,如果三个向量a ,b ,c 不共面,那么对空间任一向量p ,存在有序实数组{x ,y ,z },使得p =____________,把{a ,b ,c }叫做空间的一个基底. 立体几何周练 命题人---王利军 一、选择题(每小题5分,共60分) 1、线段AB 在平面α内,则直线AB 与平面α的位置关系是 A 、A B α? B 、AB α? C 、由线段AB 的长短而定 D 、以上都不对 2、下列说法正确的是 A 、三点确定一个平面 B 、四边形一定是平面图形 C 、梯形一定是平面图形 D 、平面α和平面β有不同在一条直线上的三个交点 3、垂直于同一条直线的两条直线一定 A 、平行 B 、相交 C 、异面 D 、以上都有可能 4、在正方体1111ABCD A B C D -中,下列几种说法正确的是 A 、11AC AD ⊥ B 、11D C AB ⊥ C 、1AC 与DC 成45o 角 D 、11AC 与1B C 成 60o 角 5、若直线l ∥平面α,直线a α?,则l 与a 的位置关系是 A 、l ∥a B 、l 与a 异面 C 、l 与a 相交 D 、l 与a 没有公共点 6、下列命题中:(1)、平行于同一直线的两个平面平行;(2)、平行于同一平面的两个平面平行; (3)、垂直于同一直线的两直线平行;(4)、垂直于同一平面的两直线平行.其中正确的个数有 A 、1 B 、2 C 、3 D 、4 7、在空间四边形ABCD 各边AB BC CD DA 、、、上分别取E F G H 、、、四点,如果与EF GH 、能相交于点P ,那么 A 、点必P 在直线AC 上 B 、点P 必在直线BD 上 C 、点P 必在平面ABC 内 D 、点P 必在平面ABC 外 8、a ,b ,c 表示直线,M 表示平面,给出下列四个命题:①若a ∥M ,b ∥M ,则a ∥b ;②若b ?M , a ∥ b ,则a ∥M ;③若a ⊥ c ,b ⊥c ,则a ∥b ;④若a ⊥M ,b ⊥M ,则a ∥b .其中正确命题的个数有 A 、0个 B 、1个 C 、2个 D 、3个 9、一个棱柱是正四棱柱的条件是 A 、底面是正方形,有两个侧面是矩形 B 、底面是正方形,有两个侧面垂直于底面 C 、底面是菱形,且有一个顶点处的三条棱两两垂直 D 、每个侧面都是全等矩形的四棱柱 10、在棱长为1的正方体上,分别用过共顶点的三条棱中点的平面截该正方体,则截去8个 立体几何空间距离问题 空间中距离的求法是历年高考考查的重点,其中以点与点、点到线、点到面的距离为基础,求其他几种距离一般化归为这三种距离. ●难点磁场 (★★★★)如图,已知ABCD是矩形,AB=a,AD=b,P A⊥平面ABCD,P A=2c,Q 是P A的中点. 求:(1)Q到BD的距离; (2)P到平面BQD的距离. P为RT△ABC所在平面α外一点,∠ACB=90°(如图) (1)若PC=a,∠PCA=∠PCB=60°,求P到面α的距离及PC和α所成的角 (2)若PC=24,P到AC,BC的距离都是6√10,求P到α的距离及PC和α所成角(3)若PC=PB=PA,AC=18,P到α的距离为40,求P到BC的距离 ●案例探究 [例1]把正方形ABCD 沿对角线AC 折起成直二面角,点E 、F 分别是AD 、BC 的中点,点O 是原正方形的中心,求: (1)EF 的长; (2)折起后∠EOF 的大小. 命题意图:考查利用空间向量的坐标运算来解决立体几何问题,属★★★★级题目. 知识依托:空间向量的坐标运算及数量积公式. 错解分析:建立正确的空间直角坐标系.其中必须保证x 轴、y 轴、z 轴两两互相垂直. 技巧与方法:建系方式有多种,其中以O 点为 原点,以OB 、OC 、OD 的方向分别为x 轴、y 轴、z 轴的正方向最为简单. 解:如图,以O 点为原点建立空间直角坐标系O —xyz ,设正方形ABCD 边长为a ,则A (0,-22a ,0),B (22a ,0,0),C (0, 22a ,0),D (0,0, 22a ),E (0,-4 2 a , a ),F ( 42a , 4 2 a ,0) 21| |||,cos ,2||,2||8042)42)(42(420) 0,4 2 ,42(),42,42,0()2(23 ,43)420()4242()042(||)1(2 2222-=?>=<== - =?+-+?=?=-==∴=-+++-=OF OE OF OE OF OE a OF a OE a a a a a OF OE a a OF a a OE a EF a a a a a EF ∴∠EOF =120° [例2]正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1的棱长为1,求异面直线A 1C 1与AB 1间的距离. 命题意图:本题主要考查异面直线间距离的求法,属★★★★级题目. 知识依托:求异面直线的距离,可求两异面直线的公垂线,或转化为求线面距离,或面面距离,亦可由最值法求得.必修2立体几何复习(知识点+经典习题)
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