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三、异面直线

空间中点、线、面的位置关系 · 高一
讲清楚它是什么

定义 空间中既不相交也不平行的两条直线,叫做异面直线。

从哪来 本节为立体几何起点,无前置知识点,直接基于空间直观感知建立。

为什么 在平面几何中,两条直线的位置关系只有“平行”或“相交”两种,因为它们共面。但在三维空间中,直线不再局限于同一平面。如果两条直线既不平行(方向不同或虽方向相同但不重合)也不相交(没有公共点),它们必然不在同一个平面内。这种“不共面”的状态,就是异面直线的本质。它打破了平面几何中“不平行即相交”的思维定势,引入了“空间维度”这一新变量。

实物演示法
利用教室里的日光灯管(代表直线a)和地面的一条边线(代表直线b)。让学生观察:灯管平行于地面,所以灯管与地面边线不相交;但灯管的方向与边线方向不同(或即使方向相同,若不在同一水平面),它们也不平行。再找一根垂直于地面的柱子,它与地面边线既不相交也不平行。
适合:空间想象力较弱、依赖具体形象思维的视觉型学生。
逻辑反证法
假设两条直线a和b是异面直线。如果它们共面,根据平面几何公理,它们要么平行要么相交。现在已知它们不平行且不相交,这就产生了矛盾。因此,它们不可能共面。异面直线的定义核心在于“不共面”,而“不相交且不平行”是判定不共面的充分条件。
适合:逻辑思维强、喜欢推导和严谨论证的分析型学生。
坐标向量法(预备)
虽然高一不讲向量,但可以引入“方向”和“位置”分离的概念。两条直线是否异面,取决于它们的“方向向量”是否共线(平行)以及“位置向量”是否共面。如果方向不共线(不平行),且连接两直线上任意两点的向量与这两个方向向量不共面,则为异面。这为后续学习空间向量判定异面直线埋下伏笔。
适合:数学基础较好、对代数化思维感兴趣、希望提前接触高维工具的学生。
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练一道
基础题
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,判断直线 $AB$ 与直线 $CC_1$ 的位置关系。
变式
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,判断直线 $AB_1$ 与直线 $BC_1$ 的位置关系。
试试手自己判
检测题
在长方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,下列哪一对直线是异面直线? A. $AB$ 与 $CD$ B. $AA_1$ 与 $BB_1$ C. $AB$ 与 $B_1C_1$ D. $AD$ 与 $BC$
看答案和判分标准
答案:C
判对标准:
选A:错误。$AB \parallel CD$,平行直线共面,不是异面。
* 选B:错误。$AA_1 \parallel BB_1$,平行直线共面,不是异面。
* 选C:正确。$AB$ 在底面,$B_1C_1$ 在顶面。$AB \parallel DC$,而 $DC$ 与 $B_1C_1$ 相交于 $C_1$(在顶面投影),但 $AB$ 与 $B_1C_1$ 方向不同($AB$ 沿长,$B_1C_1$ 沿宽),故不平行。$AB$ 在 $z=0$ 平面,$B_1C_1$ 在 $z=h$ 平面,且无公共点,故不相交。因此是异面直线。
* 选D:错误。$AD \parallel BC$,平行直线共面,不是异面。
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