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5.3 直线与平面平行时直线上点到平面的距离

空间向量及其在立体几何中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 直线与平面平行时,直线上任意一点到该平面的垂线段长度,即为该直线到平面的距离。

从哪来 本知识点建立在“点到平面的距离”这一已有概念之上。虽然图谱未记录前置,但逻辑上必须依赖“点到平面距离”的定义(即过点作平面的垂线,垂线段长度)作为基础,才能推广到“线面平行”的情形。

为什么 因为直线与平面平行,意味着直线上所有点都在平面的同一侧,且到平面的“高度”一致。 1. 几何直观:想象一条平行于桌面的筷子,筷子上任何一点到桌面的垂直高度都是相同的。 2. 逻辑推导:设直线 $l \parallel$ 平面 $\alpha$。在 $l$ 上取两点 $A, B$。过 $A, B$ 分别作 $\alpha$ 的垂线,垂足为 $A', B'$。由于 $l \parallel \alpha$,则 $l \parallel A'B'$(线面平行性质定理的推论或向量法可证)。因此四边形 $ABB'A'$ 是矩形(或平行四边形且邻边垂直),故 $AA' = BB'$。 3. 结论:既然任意两点的距离相等,那么直线上任意一点到平面的距离都相等,这个定值就是线面距离。

【适合类型:空间想象力强、喜欢几何直观的学生】** **“平移转化法”** 1. **核心思想
把“线面距离”转化为“点面距离”。 2. 操作步骤: - 既然直线上所有点到平面的距离相等,我们只需要找最方便的那个点。 - 通常选择直线与已知平面内某条直线的交点(如果存在),或者直线端点,或者通过作辅助线构造出的特殊点(如中点)。 - 一旦选定一个点 $P$,问题就完全变成了求“点 $P$ 到平面 $\alpha$ 的距离”。 3. 口诀:线面平行看一点,选个最巧的算。
【适合类型:逻辑严密、擅长代数运算的学生】** **“向量法(坐标法)”** 1. **核心思想
利用向量投影公式,避免复杂的几何作图。 2. 操作步骤: - 建立空间直角坐标系。 - 求出直线 $l$ 的方向向量 $\vec{u}$ 和平面的法向量 $\vec{n}$。 - 验证 $\vec{u} \cdot \vec{n} = 0$(确认平行)。 - 在直线 $l$ 上任取一点 $P(x_0, y_0, z_0)$,在平面 $\alpha$ 上任取一点 $Q(x_1, y_1, z_1)$。 - 计算向量 $\vec{PQ}$。 - 距离 $d = \frac{|\vec{PQ} \cdot \vec{n}|}{|\vec{n}|}$。 3. 优势:程序化操作,只要坐标算对,结果必对,不依赖空间作图技巧。
【适合类型:对体积敏感、喜欢“等积法”的学生】** **“等体积法(换底法)”** 1. **核心思想
利用三棱锥(四面体)体积公式 $V = \frac{1}{3}Sh$ 进行转换。 2. 操作步骤: - 构造一个三棱锥,其顶点在直线 $l$ 上,底面在平面 $\alpha$ 内。 - 设直线 $l$ 上一点为 $P$,平面 $\alpha$ 内三角形为 $\triangle ABC$。 - 计算 $V_{P-ABC}$。此时 $h$ 就是我们要找的线面距离。 - 换一个顶点看这个四面体,比如 $V_{A-PBC}$。如果 $\triangle PBC$ 的面积 $S_{\triangle PBC}$ 容易求,且 $A$ 到平面 $PBC$ 的距离 $h'$ 容易求(通常 $h'$ 是已知线段长),则: $$ \frac{1}{3} S_{\triangle ABC} \cdot d = \frac{1}{3} S_{\triangle PBC} \cdot h' $$ - 解出 $d$。 3. 适用场景:当直接作垂线困难,但三角形面积和另一条高容易计算时。
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练一道
基础题
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,棱长为 1。$E, F$ 分别为 $AB, BC$ 的中点。求直线 $EF$ 到平面 $A_1C_1D$ 的距离。
试试手自己判
检测题
在正三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 中,底面边长为 2,侧棱长为 2。求直线 $AB$ 到平面 $A_1C_1B$ 的距离。 *(提示:需先判断 $AB$ 是否平行于平面 $A_1C_1B$。若平行,求距离;若不平行,说明理由。)
看答案和判分标准
答案:1. 判断: $AB \parallel A_1B_1$,且 $A_1B_1 \subset$ 平面 $A_1C_1B$,$AB \not\subset$ 平面 $A_1C_1B$。 $\therefore AB \parallel$ 平面 $A_1C_1B$。 2. 转化: 求点 $A$ 到平面 $A_1C_1B$ 的距离。 3. 计算: 建系或等体积法。 等体积法: $V_{A-A_1C_1B} = V_{B-AA_1C_1}$。 $S_{\triangle AA_1C_1}$:$AA_1=2, A_1C_1=2, AC_1=\sqrt{2^2+2^2}=2\sqrt{2}$。 这是一个等腰直角三角形吗? $AA_1 \perp A_1C_1$ (侧棱垂直底面)。 $S_{\triangle AA_1C_1} = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 = 2$。 $B$ 到平面 $AA_1C_1$ 的距离: 平面 $AA_1C_1$ 即侧面 $ACC_1A_1$。 $B$ 到 $AC$ 的距离为正三角形高 $h = \sqrt{3}$。 因为侧面垂直底面,所以 $B$ 到侧面 $ACC_1A_1$ 的距离就是 $B$ 到 $AC$ 的距离 $\sqrt{3}$。 $V_{B-AA_1C_1} = \frac{1}{3} \times 2 \times \sqrt{3} = \frac{2\sqrt{3}}{3}$。 另一方面,$V_{A-A_1C_1B} = \frac{1}{3} S_{\triangle A_1C_1B} \cdot d$。 $S_{\triangle A_1C_1B}$: $A_1C_1 = 2$。 $A_1B = \sqrt{AA_1^2 + AB^2} = \sqrt{4+4} = 2\sqrt{2}$。 $C_1B = \sqrt{CC_1^2 + CB^2} = \sqrt{4+4} = 2\sqrt{2}$。 $\triangle A_1C_1B$ 是等腰三角形,底边 2,腰 $2\sqrt{2}$。 高 $h' = \sqrt{(2\sqrt{2})^2 - 1^2} = \sqrt{8-1} = \sqrt{7}$。 $S_{\triangle A_1C_1B} = \frac{1}{2} \times 2 \times \sqrt{7} = \sqrt{7}$。 $\frac{1}{3} \sqrt{7} d = \frac{2\sqrt{3}}{3} \Rightarrow d = \frac{2\sqrt{3}}{\sqrt{7}} = \frac{2\sqrt{21}}{7}$。
判对标准:
1. 正确证明 $AB \parallel$ 平面 $A_1C_1B$(2分)。
2. 正确转化为点面距离(1分)。
3. 正确计算三角形面积或向量坐标(3分)。
4. 最终答案 $\frac{2\sqrt{21}}{7}$(4分)。
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