高中立体几何证明方法及例题

2018-12-17 15:15

1. 空间角与空间距离 在高考的立体几何试题中,求角与距离是必考查的问题,其中最主要的是求线线角、线面角、面面角、点到面的距离,求角或距离的步骤是“一作、二证、三算”,即在添置必要的辅助线或辅助面后,通过推理论证某个角或线段就是所求空间角或空间距离的相关量,最后再计算。

2. 立体几体的探索性问题 立体几何的探索性问题在近年高考命题中经常出现,这种题型有利于考查学生归纳、判断等方面的能力,也有利于创新意识的培养。近几年立体几何探索题考查的类型主要有:(1)探索条件,即探索能使结论成立的条件是什么?(2)探索结论,即在给定的条件下命题的结论是什么。 对命题条件的探索常采用以下三种方法:(1)先观察,尝试给出条件再证明;(2)先通过命题成立的必要条件探索出命题成立的条件,再证明充分性;(3)把几何问题转化为代数问题,探索出命题成立的条件。 对命题结论的探索,常从条件出发,再根据所学知识,探索出要求的结论是什么,另外还有探索结论是否存在,常假设结论存在,再寻找与条件相容还是矛盾。

(一)平行与垂直关系的论证

由判定定理和性质定理构成一套完整的定理体系,在应用中:低一级位置关系判定高一级位置关系;高一级位置关系推出低一级位置关系,前者是判定定理,后者是性质定理。 1. 线线、线面、面面平行关系的转化: 面面平行性质 ?//?????a,??????a?b?//b a a//b? ? b a??,b? ???? ?a//? a??,b?? A b ? a a?b?A a//?,b//? ???????(a//b,b//c 线线∥ ?a//c) 公理4 线面平行判定 线面平行性质 线面∥ ??//?面面平行判定1 面面平行性质 面面∥ 面面平行性质1 ?//???//????a??? ????b??a//??a//b?//??a????? ??//? ?a//?

2. 线线、线面、面面垂直关系的转化:

??a?b?O? ?l?a,l?b?a,b???l?? ?????? a???a?? 面面⊥ 三垂线定理、逆定理 线线⊥ PA??,AO为PO在?内射影a??则a?OA?a?POa?PO?a?AOl??线面垂直判定1 线面垂直定义 线面⊥ ???面面垂直判定 面面垂直性质,推论2 ??a??? ?l?a ??????b??a?? a??,a?b??????????? ????a?? ?a?? 面面垂直定义 ????l,且二面角??l???成直二面角????? ?

3. 平行与垂直关系的转化: a//b?a??a???a ??b???线面垂直判定2 线面垂直性质2 a??????//? 线线∥ 线面⊥ 面面平行判定2 面面平行性质3 面面∥ a???b?????a//b ?//??a???a???

4. 应用以上“转化”的基本思路——“由求证想判定,由已知想性质。” 5. 唯一性结论:

1. 三类角的定义:

(1)异面直线所成的角θ:0°<θ≤90°

(2)直线与平面所成的角:0°≤θ≤90° (??0?时,b∥?或b??)

(3)二面角:二面角的平面角θ,0°<θ≤180°

2. 三类角的求法:转化为平面角“一找、二作、三算” 即:(1)找出或作出有关的角; (2)证明其符合定义; (3)指出所求作的角; (4)计算大小。

(三)空间距离: 求点到直线的距离,经常应用三垂线定理作出点到直线的垂线,然后在相关三角形中求解。 求点到面的距离,一般找出(或作出)过此点与已知平面垂直的平面利用面面垂直的性质求之也可以利用“三棱锥体积法”直接求距离,直线与平面的距离,面面距离都可转化为点到面的距离。

【典型例题】

(一)与角有关的问题

例1. (1)如图,E、F分别为三棱锥P—ABC的棱AP、BC的中点,PC=10,AB=6,EF=7,则异面直线AB与PC所成的角为( )

A. 60° B. 45° C. 30° 解:取AC中点G,连结EG、FG,则

D. 120°

11EG∥PC,FG∥AB?2?2

∴∠EGF为AB与PC所成的角 在△EGF中,由余弦定理,

EG?FG?EF5?3?71cos∠EGF????2·EG·FG2?5?32

∴AB与PC所成的角为180°-120°=60°

∴选A

222222 (2)已知正四棱锥以棱长为1的正方体的某个面为底面,且与该正方体有相同的全面积,则这一正四棱锥的侧棱与底面所成的角的余弦值为( )

A.1313B.36C.332D.2626

2设正四棱锥的高为h,斜高为h'?

解:

?1?h????2?

1??1?2由题意:?4?1?h????2?2??∴h2?6

2???12?6?12??

?2?22∴侧棱长PB?h?OB?6???2??

2?262

∴cos∠PBO?

∴选A

OB?PB22?1313262

(3)如图,在正方体ABCD?A1B1C1D1中,P为A1D1上的一个定点,Q为

A1B1上的任意一点,E、F为CD上任意两点,且EF的长为定值,有下列命题:

①点P到平面QEF的距离为定值;

②直线PQ与平面PEF所成的角为定值; ③二面角P—EF—Q的大小为定值; ④三棱锥P—QEF的体积为定值

其中正确命题的序号是___________。

解:平面QEF即是平面A1B1CD

∴A1D1上定点P到面A1B1CD的距离为定值

∴①对,②错

二面角P—EF—Q,即面PDF与面A1B1CD所成的角,且平面角∠PDA1为定

因为A1B1∥DC,且EF为定值,∴S?QEF为定值

又P点到平面QEF的距离为定值,∴VP?QEF为定值,∴④对

综上,①③④正确。

值,∴③对

例2. 图①是一个正方体的表面展开图,MN和PQ是两条面对角线,请在图(2)的正方体中将MN,PQ画出来,并就这个正方体解答下列各题: (1)求MN和PQ所成角的大小; (2)求四面体M—NPQ的体积与正方体的体积之比; (3)求二面角M—NQ—P的大小。


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