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- 2021-06-19 发布
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点到面的距离和线面角
一、考点突破
知识点
课标要求
题型
说明
点到面的距离和线面角
1. 理解斜线在平面内的射影及与平面所成角的概念,会求简单的线面角;
2. 理解点到平面的距离的概念,会求简单的点面距离
选择题
填空题
解答题
求点到面的距离和斜线与平面所成的角其实质是垂直关系的应用,其中寻找一个点在平面内的射影是解决问题的难点。
二、重难点提示
重点:掌握点到面的距离和线面角的解法。
难点:如何寻找点在平面内的射影。
考点一:点到平面的距离
1. 点到平面的距离
从平面外一点引平面的垂线,这个点和垂足间的距离叫做这个点到这个平面的距离。
2. 直线和平面的距离
一条直线和一个平面平行,这条直线上任意一点到这个平面的距离,叫做这条直线和这个平面的距离。
【要点诠释】
直线到平面的距离常常转化为点到平面的距离求解。
【规律总结】 求点面距离的常用方法
① 直接过点作面的垂线,求垂线段的长,通常要借助于某个直角三角形。
② 转移法:借助线面平行将点转移到直线上某一特殊点到平面的距离求解。
③ 体积法:利用三棱锥的特征转化位置来求解。(后面章节)
考点二:直线和平面所成的角
1. 斜线
一条直线与一个平面相交,但不和这个平面垂直,这条直线叫做这个平面的斜线,斜线与平面的交点叫做斜足,斜线上一点与斜足间的线段叫做这个点到平面的斜线段。
2. 正投影
过平面α外一点P向平面α引斜线和垂线,那么过斜足Q和垂足P1
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的直线就是斜线在平面内的正投影(简称射影),线段P1Q就是斜线段PQ在平面α内的射影,如图所示。
3. 直线和平面所成的角
(1)定义:平面的一条斜线和它在平面上的射影所成的锐角,叫做这条直线与这个平面所成的角。特别地:如果直线和平面垂直,那么就说这条直线与平面所成的角是直角;如果直线与平面平行或在平面内,则它们所成的角是0°的角。
(2)范围:设直线与平面所成的角为θ,则0°≤θ≤90°。
(3)画法:如图所示,斜线AP与平面α所成的角是∠PAO。
【核心归纳】求解斜线和平面所成的角的一般步骤是:
① 确定斜线与平面的交点即斜足;
② 经过斜足上除斜足外任一点作平面的垂线,确定垂足,进而确定斜线在平面内的射影;
③ 求解由垂线、斜线及其射影构成的直角三角形。
【核心突破】
求线面角的关键是找直线在相应平面内的射影,其反映了空间问题平面化的思想。
【难点剖析】确定点的射影位置有如下几种方法:
① 斜线上任意一点在平面上的射影必在斜线在平面的射影上;
② 如果一个角所在平面外一点到角的两边距离相等,那么这一点在平面上的射影在这个角的角平分线上;
③ 利用某些特殊棱锥的有关性质,确定顶点在地面上的射影。除此还有其他方法,需要用到后面所学内容。
【随堂练习】如图,∠BOC在平面α内,OA是平面α的斜线,若∠AOB=∠AOC=60°,OA=OB=OC=a,BC=a。
则OA与平面α所成的角为 。
思路分析:
答案:如图,作AH⊥BC于点H,连接OH,
∵OA=OB=OC,∠AOB=∠AOC=60°,
△AOB与△AOC均为等边三角形,∴AB=AC=a,
又BC=a,∴AB2+AC2=OB2+OC2=BC2,
7
∴△ABC与△OBC均为等腰直角三角形,
∴H为BC的中点,且OH⊥BC,
又AH2+OH2=(a)2+(a)2=a2=OA2,
∴AH⊥OH,
∵BC∩OH=H,∴AH⊥平面α,∴OH为OA在平面α内的射影,即∠AOH为OA与平面α所成的角,
Rt△OAH中,sin∠AOH==,且∠AOH为锐角,
∴∠AOH=45°,即OA与平面α所成的角为45°。
技巧点拨:
1. 本题在判断AH与OH间的关系时,借助了勾股定理,通过数量关系证明AH⊥OH。
2. 解决线面垂直问题的常用方法
(1)利用勾股定理的逆定理。
(2)利用等腰三角形底边的中线就是底边的高线。
(3)利用线面垂直的定义。
(4)利用平行转化,即a∥b,b⊥c,则a⊥c。
3. 对于线面角的计算,通常借助垂线段、斜线和射影所组成的直角三角形求解。
例题1 (点面距离和线面距离)已知ABCD是边长为4的正方形,E、F分别是AB、AD的中点,GC垂直于ABCD所在的平面,且GC=2,求点B到平面EFG的距离。
思路分析:B到平面EFG的距离转化为O到平面EFG的距离,在三角形中计算长度。
答案:如图,连接EG、FG、EF、BD、AC,
设EF、BD分别交AC于点H、O,
∵四边形ABCD是正方形,E、F分别是AB、AD的中点,
故EF∥BD,H为AO的中点,
∴BD∥平面EFG,
∴点B到平面EFG的距离就等于BD到平面EFG之间的距离,
过点O作OK⊥GH,垂足为K,
∵EF∥BD,
∴EF⊥AC,
易证GF=GE,又H为EF的中点,
∴GH⊥EF,
∵GH与AC交于点H,
∴EF⊥平面GHC.
∴OK⊥EF,
7
∵OK⊥GH,且GH∩EF=H,
∴OK⊥平面GEF,
∴OK的长度即为O(B)到平面GEF的距离,
∵正方形ABCD的边长为4,
∴GC=2,AC=4,HO=,HC=,
在Rt△HCG中,HG=,
易证△HKO∽△HCG,
∴OK=
即点B到平面EFG的距离为。
技巧点拨:当直线与平面平行时,直线上每一点到平面的距离相等,因此线面距离可以转化为点面距离,而点面距离又可以根据线面平行灵活取点求解。
例题2 (求直线与平面所成的角)
在正方体ABCD-A1B1C1D1中,
(1)求A1B与平面AA1D1D所成的角;
(2)求A1B与平面BB1D1D所成的角。
思路分析:找A1B分别在平面AA1D1D及平面BB1D1D内的射影,借助三角形的知识分别求解便可。
答案:(1)∵AB⊥平面AA1D1D,
∴∠AA1B就是A1B与平面AA1D1D所成的角,在Rt△A1AB中,∠BAA1=90°,AB=AA1,
∴∠AA1B=45°,
∴A1B与平面AA1D1D所成的角是45°;
(2)如图,连接A1C1交B1D1于点O,连接BO,
∵A1O⊥B1D1,BB1⊥A1O,
∴A1O⊥平面BB1D1D,
∴∠A1BO就是A1B与平面BB1D1D所成的角,
设正方体的棱长为1,∴A1B=,A1O=,
又∵∠A1OB=90°,
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∴sin∠A1BO=,∴∠A1BO=30°,
∴A1B与平面BB1D1D所成的角是30°。
技巧点拨:
1. 求直线和平面所成角的步骤:(1)寻找过斜线上一点与平面垂直的直线;(2)连接垂足和斜足得到斜线在平面上的射影,斜线与其射影所成的锐角或直角即为所求的角;(3)把该角归结在某个三角形中,通过解三角形,求出该角。
2. 在上述步骤中,作角是关键,而确定斜线在平面内的射影是作角的关键,几何图形的特征是找射影的依据,图形中的特殊点是突破口。
例题3 (立体几何中的综合运用)(山东济宁模拟) 已知在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,P是侧棱CC1上的一点,CP=m。
(1)试确定m的值,使得直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为。
(2)在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q在平面APD1上的射影垂直于AP,证明你的结论。
思路分析:(1)证明AO⊥平面BDD1B1,找到线并求出线面角;
(2)猜测Q为A1C1的中点,并证明。
答案:(1)连接AC,设AC∩BD=O,AP与平面BDD1B1交于点G,连接OG,
因为PC∥B1B,B1B⊂平面BDD1B1,
所以PC∥平面BDD1B1,平面BDD1B1∩平面APC=OG,
故OG∥PC,所以OG=PC=,
又AO⊥DB,AO⊥BB1,DB∩BB1=B,
所以AO⊥平面BDD1B1,
故∠AGO即为AP与平面BDD1B1所成的角,
在Rt△AOG中,tan∠AGO===,即m=,
故当m=时,直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为;
(2)存在理由:依题意,要在A1C1上找一点Q,使得D1Q⊥AP,可推测A1C1的中点O1即为所求的Q点,
因为D1O1⊥A1C1,D1O1⊥AA1,AA1∩A1C1=A1,
所以D1O1⊥平面ACC1A1,又AP⊂平面ACC1A1,
故D1O1⊥AP,从而D1O1在平面AD1P上的射影与AP垂直,所以存在定点Q满足题意。
技巧点拨:要充分挖掘题目中的垂直关系,求线面角的关键是作出面的垂线。
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因思考不周全致误
例题 已知平面α外两点A、B到平面α的距离分别为1和2,A、B两点在平面α内的射影之间的距离为,求直线AB和平面α所成的角。
错解:如图,由点A、B分别向平面α作垂线,垂足分别为A1、B1,则AA1=1,BB1=2,B1A1=,
由点A向BB1作垂线,垂足为H,则AB与平面α所成的角即为AB与AH所成的角,即∠BAH为AB与平面α所成的角,
在Rt△BHA中,AH=A1B1=,
BH=BB1-AA1=1,
∴tan∠BAH==,∴∠BAH=30°,
∴AB与平面α所成的角为30°。
错因分析:上述解法的错误在于仅考虑了A、B两点在平面α同侧的情形,而忽略了A、B两点位于平面α异侧的情形。
防范措施:点、线、面的位置不同,所得出的结论往往不同,本题中AB射影位置的确定依赖于A,B两点的位置,而A,B可能在平面的同侧,也可能在平面的两侧,必须对两种情况分别加以讨论。
正解:①当点A、B在平面α的同侧时,由以上知直线AB与平面α所成的角为30°;
图(2)
②当点A、B位于平面α的异侧时,如图(2),由点A、B分别向平面α作垂线,垂足分别为A1、B1,AB与平面α相交于点C,A1B1为AB在平面α上的射影,
∴∠BCB1或∠ACA1为AB与平面α所成的角,
在Rt△BCB1中,BB1=2,
在Rt△AA1C中,AA1=1,
∵△BCB1∽△ACA1,∴=2,
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∴B1C=2CA1,而B1C+CA1=,∴B1C=,
∵tan∠BCB1==,∴∠BCB1=60°,
∴AB与平面α所成的角为60°,
综合①、②可知:AB与平面α所成的角为30°或60°。
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