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1. 异面直线所成角

空间几何体与空间向量 · 高三
讲清楚它是什么

定义 空间中两条既不相交也不平行的直线,通过平移使其相交后所成的锐角或直角。

从哪来 本知识点建立在空间直线的位置关系(特别是平行公理及推论)以及平面几何中两直线夹角定义的基础之上。虽然图谱未记录具体前置,但逻辑上必须依赖“平行线性质”来理解平移的合法性,以及“平面内两直线夹角”作为计算基础。

为什么 异面直线在空间中无法直接相交,因此无法像平面几何那样直接度量夹角。 核心逻辑是“化异为同”: 1. 平移不变性:根据平行公理,若直线 $a \parallel a'$,则 $a$ 与 $b$ 的夹角等于 $a'$ 与 $b$ 的夹角。 2. 构造平面:通过平移其中一条直线,使其与另一条直线相交,从而将空间问题转化为平面问题。 3. 角度范围限制:为了唯一性,规定所成角 $\theta \in (0, \frac{\pi}{2}]$。若计算出的三角形内角为钝角,则取其补角,因为直线没有方向性,夹角只关注“张开”的最小程度。

【直观操作法】** **适合学生
空间想象力较弱、依赖视觉感知的学生。 操作: 1. 拿出两根筷子(代表直线 $a, b$),在桌面上摆成异面状态。 2. 保持一根不动,平移另一根,直到它们接触(相交)。 3. 观察此时两根筷子形成的角。 4. 关键点:强调“平移”不改变直线的方向,只改变位置。让学生明白,我们不是在量原来的位置,而是在量“方向”之间的差异。
【向量代数法】** **适合学生
计算能力强、喜欢公式化、空间几何直觉稍弱的学生。 操作: 1. 引入方向向量 $\vec{u}, \vec{v}$。 2. 直接利用公式 $\cos\theta = \frac{|\vec{u} \cdot \vec{v}|}{|\vec{u}| |\vec{v}|}$。 3. 关键点:强调绝对值符号。向量夹角范围是 $[0, \pi]$,而异面直线夹角范围是 $(0, \frac{\pi}{2}]$。绝对值保证了结果非负,从而对应锐角或直角。这种方法避开了复杂的几何作图,直接通过代数运算求解。
【几何构造法(补形法)】** **适合学生
几何功底扎实、擅长逻辑推理、准备学习立体几何综合题的学生。 操作: 1. 在正方体或长方体模型中,寻找中点、平行四边形。 2. 利用“中位线”或“平行四边形对边平行”来平移直线。 3. 在三角形中利用余弦定理计算角度。 4. 关键点:训练“找平行”的能力。例如,求 $AB$ 与 $CD$ 的夹角,若 $CD$ 难处理,找 $CD$ 的平行线 $A'B'$,转化为求 $\triangle ABA'$ 中的角。这是高考解答题的主流解法。
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练一道
基础题
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,求异面直线 $AB$ 与 $CC_1$ 所成的角。
变式
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,棱长为 1,求异面直线 $AB_1$ 与 $BC_1$ 所成的角。
看解答过程
1. 平移:因为 $CC_1 \parallel BB_1$,所以异面直线 $AB$ 与 $CC_1$ 所成的角等于直线 $AB$ 与 $BB_1$ 所成的角。 2. 观察:在正方体中,$AB \perp BB_1$(侧棱垂直于底面边)。 3. 结论:所成角为 $90^\circ$。
试试手自己判
检测题
在正四面体 $P-ABC$ 中,$D$ 为 $PC$ 的中点,求异面直线 $AB$ 与 $PD$ 所成的角。
看答案和判分标准
答案:$90^\circ$
判对标准:
1. 学生需指出 $PD$ 在平面 $PAC$ 内,且 $AB \perp PC$(正四面体对棱垂直)。
2. 学生需指出 $AB \perp AC$ 不成立,但 $AB \perp$ 平面 $PDC$ 也不成立。
3. 正确逻辑:取 $AC$ 中点 $E$,连接 $DE, BE$。
- $DE \parallel PA$。
- 此路不通,换一种:
- 取 $BC$ 中点 $F$,连接 $AF, DF$。
- 在正四面体中,$AF \perp BC$,$PF \perp BC$,所以 $BC \perp$ 平面 $PAF$。
- 这也没直接联系 $AB$ 和 $PD$。

更简单的判定:
向量法最快。设 $\vec{AB}=\mathbf{b}, \vec{AC}=\mathbf{c}, \vec{AP}=\mathbf{p}$。
$\vec{PD} = \frac{1}{2}(\vec{PC}) = \frac{1}{2}(\mathbf{c}-\mathbf{p})$。
$\vec{AB} \cdot \vec{PD} = \mathbf{b} \cdot \frac{1}{2}(\mathbf{c}-\mathbf{p}) = \frac{1}{2}(\mathbf{b}\cdot\mathbf{c} - \mathbf{b}\cdot\mathbf{p})$。
正四面体中,$\mathbf{b}\cdot\mathbf{c} = \mathbf{b}\cdot\mathbf{p} = \mathbf{c}\cdot\mathbf{p} = \frac{1}{2}a^2$。
所以点积为 0。

几何法标准:
取 $AC$ 中点 $M$。连接 $BM, PM$。
因为 $\triangle ABC$ 和 $\triangle APC$ 都是等边三角形,所以 $BM \perp AC, PM \perp AC$。
所以 $AC \perp$ 平面 $BMP$。
这似乎也没直接帮上忙。

最直观的几何法:
取 $AB$ 中点 $N$,连接 $DN, CN$。
在 $\triangle PAC$ 中,$D$ 是 $PC$ 中点,$N$ 是 $AB$ 中点... 不好连。

回归最稳妥的几何构造:
取 $AC$ 中点 $E$。
连接 $BE$。因为 $\triangle ABC$ 是等边三角形,$BE \perp AC$。
连接 $PE$。因为 $\triangle APC$ 是等边三角形,$PE \perp AC$。
所以 $AC \perp$ 平面 $PBE$。
因为 $PD \subset$ 平面 $PAC$,这个思路偏了。

正确且简单的几何解法:
取 $BC$ 中点 $F$。
连接 $AF$。$AF \perp BC$。
连接 $PF$。$PF \perp BC$。
所以 $BC \perp$ 平面 $PAF$。
因为 $AB$ 在平面 $ABC$ 内,这个也不直接。

其实这道题有个经典结论:正四面体对棱互相垂直。
$AB \perp PC$。
因为 $D$ 在 $PC$ 上,所以 $AB \perp PD$。
所以所成角为 $90^\circ$。
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