2022年《新课标》高三数学第一轮复习单元讲座第12讲空间中的夹角和距离 .pdf
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1、第 1 页 共 24 页普通高中课程标准实验教科书数学人教版 高三新 数学第一轮复习教案(讲座12)空间中的夹角和距离一课标要求:1掌握两条直线所成的角和距离的概念及等角定理;(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)。2掌握点、直线到平面的距离,直线和平面所成的角;3掌握平行平面间的距离,会求二面角及其平面角;二命题走向高考立体几何试题一般共有4 道(选择、填空题 3 道, 解答题 1 道), 共计总分27 分左右,考查的知识点在20 个以内。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”的发展,从历年的考题变化看, 以多面体和旋转体为载体的线面
2、位置关系的论证,角与距离的探求是常考常新的热门话题。预测 07 年高考试题:(1)单独求夹角和距离的题目多为选择题、填空题,分值大约5 分左右;解答题中的分步设问中一定有求夹角、距离的问题,分值为6 分左右;(2)选择、填空题考核立几中的计算型问题, 而解答题着重考查立几中的逻辑推理型问题 , 当然 , 二者均应以正确的空间想象为前提。三要点精讲1距离空间中的距离是立体几何的重要内容,其内容主要包括:点点距,点线距,点面距,线线距,线面距,面面距。其中重点是点点距、点线距、点面距以及两异面直线间的距离因此,掌握点、线、面之间距离的概念,理解距离的垂直性和最近性,理解距离都指相应线段的长度,懂得
3、几种距离之间的转化关系,所有这些都是十分重要的。求距离的重点在点到平面的距离,直线到平面的距离和两个平面的距离可以转化成点到平面的距离,一个点到平面的距离也可以转化成另外一个点到这个平面的距离。(1)两条异面直线的距离两条异面直线的公垂线在这两条异面直线间的线段的长度,叫做两条异面直线的距离;求法:如果知道两条异面直线的公垂线,那么就转化成求公垂线段的长度。(2)点到平面的距离平面外一点P 在该平面上的射影为P,则线段PP的长度就是点到平面的距离;求法:1“一找二证三求” ,三步都必须要清楚地写出来。2 等体积法。(3)直线与平面的距离:一条直线和一个平面平行,这条直线上任意一点到平面的距离,
4、叫做这条直线和平面的距离;(4)平行平面间的距离:两个平行平面的公垂线段的长度,叫做两个平行平面的距离。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 2 页 共 24 页求距离的一般方法和步骤:应用各种距离之间的转化关系和“平行移动”的思想方法,把所求的距离转化为点点距、点线距或点面距求之,其一般步骤是:找出或作出表示有关距离的线段;证明它符合定义;归到解某个三角形若表示距离的线段不容易找出或作出,可用
5、体积等积法计算求之。异面直线上两点间距离公式,如果两条异面直线 a 、b 所成的角为,它们的公垂线AA的长度为d ,在 a 上有线段AE m ,b 上有线段AF n ,那么EF cos2222mnnmd( “”符号由实际情况选定)2夹角空间中的各种角包括异面直线所成的角,直线与平面所成的角和二面角,要理解各种角的概念定义和取值范围,其范围依次为(0, 90、0, 90和0, 180 。(1)两条异面直线所成的角求法:1先通过其中一条直线或者两条直线的平移,找出这两条异面直线所成的角,然后通过解三角形去求得;2 通过两条异面直线的方向量所成的角来求得,但是注意到异面直线所成角得范围是2,0(,向
6、量所成的角范围是,0,如果求出的是钝角,要注意转化成相应的锐角。(2)直线和平面所成的角求法:“一找二证三求” ,三步都必须要清楚地写出来。除特殊位置外,主要是指平面的斜线与平面所成的角,根据定义采用“射影转化法”。(3)二面角的度量是通过其平面角来实现的解决二面角的问题往往是从作出其平面角的图形入手,所以作二面角的平面角就成为解题的关键。通常的作法有:()定义法; ()利用三垂线定理或逆定理;()自空间一点作棱垂直的垂面,截二面角得两条射线所成的角,俗称垂面法此外,当作二面角的平面角有困难时,可用射影面积法解之,cos SS,其中 S 为斜面面积,S为射影面积,为斜面与射影面所成的二面角。3
7、等角定理如果一个角的两边和另一个角的两边分别平行,并且方向相同,那么这两个角相等。推论:如果两条相交直线和另两条相交直线分别平行,那么这两组直线所成的锐角(或直角)相等。四典例解析题型 1:直线间的距离问题名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 3 页 共 24 例 1已知正方体ABCDA B C D的棱长为 1,求直线DA 与 AC 的距离。解法 1: 如图 1 连结 AC, 则 AC 面 AC
8、D ,连结 DA 、DC、DO,过 O 作 OEDO于 E 因为 AC面 BBDD ,所以 ACOE。又 ODOE,所以 OE面 ACD 。因此 OE 为直线 DA 与 AC 的距离。在 RtOOD 中,OEO DODOO22,可求得OE33点评:此题是异面直线的距离问题:可作出异面直线的公垂线。解法 2: 如图 2 连接 AC、 DC、 BC、 ABA ,得到分别包含DA 和 AC 的两个平面ACD 和平面 ABC ,又因为 AC AC, AD BC, 所以面 ACD面 ABC 。故 DA 与 AC 的距离就是平面ACD 和平面ABC 的距离,连 BD分别交两平面于OO12,两点,易证O O
9、12是两平行平面距离。不 难 算 出BOD Oa1233, 所 以O Oa1233,所以异面直线BD 与B C1之间的距离为33a。点评:若考虑到异面直线的公垂线不易做出,可分别过两异面直线作两平面互相平行,则异面直线的距离就是两平面的距离。题型 2:线线夹角例 2如图 1,在三棱锥SABC 中,SABSACACB90,AC2,BC13,SB29,求异面直线SC 与AB 所成角的余弦值。B C A D B C O A D 图 1 E O C B D A C O2B D A O1 图 2 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习
10、资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 4 页 共 24 页SACB图 1 解法 1:用公式当直线AB平面A,AB 与所成的角为1, l 是内的一条直线,l 与 AB在内 的 射 影AB所 成 的 角 为2, 则 异 面 直 线l与AB所 成 的 角满 足c o sc o s c o s12。以此为据求解。由题意,知SA平面 ABC ,ACBC,由三垂线定理,知SC BC,所以BC平面 SAC。因为ACBCSB21329,由勾股定理,得ABSASC172 34,。在Rt SAC中,cosSCAACSC1
11、2,在Rt ACB中,cosCABACAB217。设 SC 与 AB 所成角为,则,coscoscosSCACAB1717解法 2:平移过点 C 作 CD/BA ,过点 A 作 BC 的平行线交CD 于 D,连结 SD,则SCD是异面直线 SC 与 AB 所成的角,如图2。又四边形ABCD 是平行四边形。由勾股定理,得:DCABSASD172 35,。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 5 页
12、 共 24 页SABCD图 2 在SCD中,由余弦定理,得:cosSCDSCDCSDSC DC22221717。点评:若不垂直,可经过如下几个步骤求解:(1)恰当选点,作两条异面直线的平行线,构造平面角; (2)证明这个角(或其补角)就是异面直线所成角;(3)解三角形(常用余弦定理) ,求出所构造角的度数。题型 3:点线距离例 3 ( 2002 京皖春, 15)正方形 ABCD 的边长是2, E、F分别是 AB 和 CD 的中点,将正方形沿EF 折成直二面角(如图所示) .M 为矩形 AEFD 内一点, 如果 MBE=MBC ,MB 和平面 BCF 所成角的正切值为21,那么点M 到直线EF
13、的距离为。解析:过M 作 MOEF,交 EF 于 O,则 MO平面 BCFE . 如图所示,作ONBC,设 OM=x,又 tanMBO=21, BO=2x又 SMBE=21BE2 MB2 sinMBE=21BE2 MESMBC=21BC2 MB2 sinMBC=21BC2 MNME=MN,而 ME=152x,MN=12x,解得 x=22。点评:该题较典型的反映了解决空间几何问题的解题策略:化空间问题为平面问题来处理。题型 4:点面距离图名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - -
14、 - - - 第 5 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 6 页 共 24 页例 4 (2006 福建理, 18)如图,四面体ABCD 中, O、E 分别 BD、BC 的中点,CA=CB=CD=BD=2。()求证:AO平面 BCD;()求异面直线AB 与 CD 所成角的大小;()求点E 到平面的距离。(1)证明:连结OC。BO=DO,AB=AD, AO BD 。BO=DO,BC=CD, COBD。在 AOC 中,由已知可得AO=1,CO=3。而 AC=2 , AO2+CO2=AC2, AOC=90 ,即 AOOC。,0OCBDAB平面 BCD 。()解:取AC 的中点 M
15、,连结 OM、ME、OE,由 E 为 BC 的中点知MEAB,OEDC。直线 OE 与 EM 所成的锐角就是异面直线AB 与 CD 所成的角。在 OME 中,,121,2221DCOEABEMOM是直角 AOC 斜边 AC 上的中线,, 121ACOM,42cosOEA异面直线AB 与 CD 所成角的大小为.42arccos()解:设点E 到平面 ACD 的距离为h. CDEAACDAVV, h312 SACD =312 AO2 SCDE. 在 ACD 中, CA=CD=2,AD =2, SACD=,2722222132名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - -
16、 - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 7 页 共 24 页而 AO=1, SCDE=,23243212h=,72127231ACDCDESSAO点 E 到平面 ACD 的距离为721。点评:本小题主要考查直线与平面的位置关系、异面直线所成的角以及点到平面的距离等基本知识,考查空间想象能力、逻辑思维能力和运算能力。题型 5:线面距离例 5斜三棱柱 ABC A1B1C1中,底面是边长为4cm 的正三角形, 侧棱 AA1与底面两边 AB 、AC 均成 600的角, AA1=
17、7。(1)求证: AA1BC;(2)求斜三棱柱ABC A1B1C1的全面积;(3)求斜三棱柱ABC A1B1C1的体积;(4)求 AA1到侧面 BB1C1C 的距离。解析 :设 A1在平面 ABC 上的射影为0。 A1AB= A1AC ,O 在 BAC 的平行线AM 上。 ABC 为正三角形,AM BC。又 AM 为 A1A 在平面 ABC 上的射影,A1ABC (2)3142374ABAsinAAABSS11BBAACCAA1111 B1BA1A,B1BBC ,即侧面BB1C1C 为矩形。2874SCCBB11又34443SS2ABCCBA111,S全=)cm(336282342823142
18、( 3)cos A1AB=cosA1AO 2 cosOAB ,cosA1AO=3330cos60cosOABcosABAcos001 sinA1AO=36,A1O=A1AsinA1AO=637)cm(228637443OASV321ABC(4)把线 A1A 到侧面 BB1C1C 的距离转化为点A 或 A1到平面 BB1C1C 的距离为了找到 A1在侧面 BB1C1C 上的射影,首先要找到侧面BB1C1C 的垂面名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,
19、共 24 页 - - - - - - - - - 第 8 页 共 24 页设平面 AA1M 交侧面 BB1C1C 于 MM1 BCAM ,BCA1A BC平面 AA1M1M 平面 AA1M1M侧面 BCC1B1在平行四边形AA1M1M 中过 A1作 A1HM1M ,H 为垂足则 A1H侧面 BB1C1C 线段 A1H 长度就是A1A 到侧面 BB1C1C 的距离)cm(223632AMAsinMAHMAsinMAHA11111111点评:线面距离往往转化成点面距离来处理,最后可能转化为空间几何体的体积求得,体积法不用得到垂线。题型 6:线面夹角例 6 (2006 浙江理, 17)如图,在四棱锥
20、P-ABCD 中,底面为直角梯形,AD BC,BAD=90 ,PA底面 ABCD ,且 PAAD=AB=2BC ,M、N 分别为 PC、PB 的中点。()求证: PBDM; ()求 CD 与平面 ADMN 所成的角的正弦值。解 析 : ( I ) 因 为N是PB的 中 点 ,P AP B, 所 以ANP B。因为AD平面PAB,所以ADPB,从而PB平面ADMN. 因为DM平面ADMN,所以PBDM. ( II )取AD的中点G,连结BG、NG,则/BGCD,所 以BG与 平 面A D M N所 成 的 角 和CD与 平 面ADMN所成的角相等。因为PB平面ADMN,所以BGN是BG与平面AD
21、MN所成的角。在Rt BGN中,10sin5BNBNGBG。点评:本题主要考查几何体的概念、线面夹角、两平面垂直等。能力方面主要考查空间想象能力、逻辑思维能力和运算能力。题型 7:面面距离例 7在长方体ABCDA1B1C1D1中, AB=4,BC=3, CC1=2,如图:(1)求证:平面A1BC1平面 ACD1;D1C1B1A1DCBA名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 9 页 共 24 页(
22、2)求 (1)中两个平行平面间的距离;(3)求点 B1到平面 A1BC1的距离。(1)证明:由于BC1AD1,则 BC1平面 ACD1,同理, A1B平面 ACD1,则平面 A1BC1平面 ACD1。(2)解:设两平行平面A1BC1与 ACD1间的距离为d,则 d 等于 D1到平面 A1BC1的距离。易求A1C1=5,A1B=25,BC1=13,则 cosA1BC1=652,则 sinA1BC1=6561,则S111CBA=61。由于111111DCABBCADVV, 则31S11BCA2 d=)21(31111DCAD2BB1, 代入求得 d=616112,即两平行平面间的距离为616112
23、。(3)解:由于线段 B1D1被平面 A1BC1所平分, 则 B1、D1到平面 A1BC1的距离相等,则由( 2)知点 B1到平面 A1BC1的距离等于616112。点评:立体几何图形必须借助面的衬托,点、线、面的位置关系才能显露地“立”起来。在具体的问题中,证明和计算经常依附于某种特殊的辅助平面即基面。这个辅助平面的获取正是解题的关键所在,通过对这个平面的截得,延展或构造,纲举目张,问题就迎刃而解了。题型 8:面面角例8 (2006 四川理,19)如图,在长方体1111ABCDA BC D中,,E P分别是11,BC A D的中点,,M N分别是1,AE CD的中点,1,2ADAAa ABa
24、。()求证:/MN面11ADD A;()求二面角PAED的大小。()求三棱锥PDEN的体积。解析:()证明:取CD的中点K,连结,MKNK,M N K分别为1,AK CD CD的中点,名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页,共 24 页 - - - - - - - - - 第 10 页 共 24 页1/,/MKAD NKDD,/MK面11ADD A,/NK面11ADD A面/MNK面11ADD A/MN面11ADD A()设F为AD的中点P为11AD
25、的中点1/PFD DPF面ABCD作FHAE,交AE于H,连结PH,则由三垂线定理得AEPH。从而PHF为二面角PAED的平面角。在Rt AEF中,17,2 ,22aAFEFa AEa,从而22217172aaAF EFaFHAEa。在Rt PFH中,117tan2DDPFPFHFHFH,故二面角PAED的正切值为217。()12221111542444NEPECD PSSBC CDaaaa矩形,作1DQCD,交1CD于Q,由11A D面11CDD C得11ACDQ,DQ面11BCD A,在1Rt CDD中,112255CD DDa aDQaCDa,13P DENDENPNEPVVSDQ215
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