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例1:异面直线所成角

空间中点、线、面的位置关系 · 高一
讲清楚它是什么

定义 在空间中,过空间任意一点分别作两条异面直线的平行线,这两条相交直线所成的锐角(或直角)即为异面直线所成角。

从哪来 本节为高一立体几何起点,无前置知识点记录。但需基于初中平面几何中“平行线的性质”(同位角、内错角相等)及“相交直线所成角”的概念进行构建。

为什么 空间中的两条异面直线没有公共点,无法直接测量夹角。根据平行公理,直线的方向由向量决定,平移不改变直线的方向。因此,通过平移将“异面”转化为“共面相交”,利用平面几何中相交直线夹角的定义来度量空间直线的相对位置关系,这是将空间问题转化为平面问题(降维)的核心思想。

直观演示法
适合形象思维强、抽象思维较弱的学生。 准备两根长短不一的筷子(代表异面直线)和一个三角板。让学生手持筷子模拟异面状态,然后用三角板的一边平行于第一根筷子,另一边平行于第二根筷子,观察三角板上的角。强调:无论手怎么移动(平移),只要保持平行关系,三角板上的角大小不变。结论:异面直线夹角本质就是“把两根线搬到一起比划”后的角度。
向量代数法
适合逻辑严密、擅长计算的学生。 引入方向向量 $\vec{a}$ 和 $\vec{b}$。定义异面直线所成角 $\theta$ 满足 $\cos\theta = \frac{|\vec{a} \cdot \vec{b}|}{|\vec{a}| |\vec{b}|}$。重点讲解绝对值符号:因为向量夹角范围是 $[0, \pi]$,而异面直线所成角范围是 $(0, \frac{\pi}{2}]$。若向量夹角为钝角,异面直线所成角为其补角。这种方法避开了复杂的几何作图,直接通过坐标运算求解,是后续解析几何的基础。
几何构造法
适合空间想象力好、喜欢几何推理的学生。 以正方体为例,找棱 $AB$ 和 $CC'$。过点 $B$ 作 $BD \parallel CC'$(即 $BD$ 为面对角线),连接 $AD$。则 $\angle ABD$ 即为异面直线 $AB$ 与 $CC'$ 所成角。在 $\triangle ABD$ 中,利用边长关系(勾股定理)求出 $\cos \angle ABD$。强调“平移”的具体操作:找中点、连对角线、利用平行四边形性质。这是高考解答题的标准几何解法。
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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,求异面直线 $AB$ 与 $BC_1$ 所成的角。
试试手自己判
检测题
在正四面体 $ABCD$ 中,$E, F$ 分别是棱 $AB, CD$ 的中点。求异面直线 $AD$ 与 $BC$ 所成的角。
看答案和判分标准
答案:$90^\circ$
判对标准:
1. 平移正确:学生需指出取 $AC$ 中点 $G$(或 $BD$ 中点),连接 $EG, FG$。
2. 平行关系:指出 $EG \parallel AD$,$FG \parallel BC$。
3. 角度转化:指出 $\angle EGF$ 即为所求角。
4. 计算/推理:
* 方法一(几何):$\triangle EGF$ 中,$EG = \frac{1}{2}AD$, $FG = \frac{1}{2}BC$。由于正四面体对棱垂直(可通过向量或几何证明 $AD \perp BC$),故 $\angle EGF = 90^\circ$。
* 方法二(向量):$\vec{AD} \cdot \vec{BC} = (\vec{BD} - \vec{BA}) \cdot (\vec{BD} - \vec{BA} + \vec{AC})$... 较繁琐。
* 最简判据:学生能得出 $AD \perp BC$ 的结论,或算出 $\cos \theta = 0$。若学生算出 $60^\circ$ 或 $45^\circ$ 则为错。
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