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立体几何中的建系难点典型例题
典例1:线面角:一般来说,线面角利用几何法会更简单一些,直接找面垂线或者利用等体积法获得距离均可。也可以使用三正弦或者三余弦来解决,方法多样化。
1.(2018·浙江·高考真题)如图,已知多面体ABC-A1B
(Ⅰ)求证:AB1⊥
(Ⅱ)求直线AC1与平面
【答案】(Ⅰ)证明见解析;(Ⅱ)3913.
【分析】(Ⅰ)方法一:通过计算,根据勾股定理得AB
(Ⅱ)方法一:找出直线AC1与平面ABB1所成的角,再在直角三角形中求解即可.
【详解】(Ⅰ)[方法一]:几何法
由AB=2,AA1=4,B
所以A1B1
由BC=2,BB1=2,CC1
由AB=BC=2,∠ABC=120°得AC=23
由CC1⊥AC,得AC1=13,所以AB1
[方法二]:向量法
如图,以AC的中点O为原点,分别以射线OB,OC为x,y轴的正半轴,建立空间直角坐标系O-xyz.
由题意知各点坐标如下:
A
因此AB
由AB1?A1B1
所以AB1⊥
(Ⅱ)[方法一]:定义法
如图,过点C1作C1D⊥A1B1
由AB1⊥平面A1B
由C1D⊥A1B
所以∠C1AD是A
由B1C1
所以C1D=3
因此,直线AC1与平面ABB
[方法二]:向量法
设直线AC1与平面ABB
由(I)可知AC
设平面ABB1的法向量
由n?AB=0n?
所以sinθ=
因此,直线AC1与平面ABB
[方法三]:【最优解】定义法+等积法
设直线AC1与平面ABB1所成角为θ,点C1到平面ABB1距离为d(下同).因为C1C∥平面ABB1,所以点C到平面ABB1的距离等于点C1到平面ABB1的距离.由条件易得,点C到平面
[方法四]:定义法+等积法
设直线AC1与平面ABB1所成的角为θ,由条件易得A1
于是得S△A1
由VC1-AA1
故sinθ=
[方法五]:三正弦定理的应用
设直线AC1与平面ABB1所成的角为θ,易知二面角C1
所以由三正弦定理得sinθ=
[方法六]:三余弦定理的应用
设直线AC1与平面ABB1所成的角为θ,如图2,过点C作CG⊥AB,垂足为G,易得CG⊥平面ABB
结合三余弦定理得sinθ=
[方法七]:转化法+定义法
如图3,延长线段A1A至E,使得
联结CE,易得EC∥AC1,所以AC1与平面ABB1所成角等于直线EC与平面ABB1所成角.过点C作CG⊥AB,垂足为G,联结GE,易得CG⊥平面ABB1,因此EG为EC在平面ABB1上的射影,所以
[方法八]:定义法+等积法
如图4,延长A1B1,AB交于点E,易知BE=2,又AB=BC=2,所以AC⊥CE,故CE⊥面AA1C1C.设点C1到平面
又AC1=13,设直线AC1与平面
【整体点评】(Ⅰ)方法一:通过线面垂直的判定定理证出,是该题的通性通法;
方法二:通过建系,根据数量积为零,证出;
(Ⅱ)方法一:根据线面角的定义以及几何法求线面角的步骤,“一作二证三计算”解出;
方法二:根据线面角的向量公式求出;
方法三:根据线面角的定义以及计算公式,由等积法求出点面距,即可求出,该法是本题的最优解;
方法四:基本解题思想同方法三,只是求点面距的方式不同;
方法五:直接利用三正弦定理求出;
方法六:直接利用三余弦定理求出;
方法七:通过直线平移,利用等价转化思想和线面角的定义解出;
方法八:通过等价转化以及线面角的定义,计算公式,由等积法求出点面距,即求出.
变式1:直接计算求线面角
(23-24高三下·山东菏泽·阶段练习)如图,三棱锥A-BCD中,AD⊥CD,AD=CD,∠ADB=∠BDC,E为线段AC的中点.
(1)证明:平面BED⊥平面ACD;
(2)设AB=BD=3,BF=2FD,EF
【答案】(1)证明见解析
(2)2
【分析】(1)根据等腰三角形的三线合一及全等三角形的性质,利用线面垂直的判定定理及面面垂直的判定定理即可求解;
(2)利用线面垂直的判定定理及性质定理,建立空间直角坐标系,求出相关点的坐标,分别求出直线CF的方向向量与平面ABC的法向量,利用向量的夹角公式,结合向量的夹角与线面角的关系即可求解.
【详解】(1)因为DA=DC,E为线段AC的中点,
所以DE⊥AC
因为DA=DC,DB=DB,∠ADB=∠CDB,
所以△ADB≌△CDB,
故AB=CB.
又E为线段AC的中点,
所以BE⊥AC.
又DE∩BE=E,DE,BE?平面BED.
所以AC⊥平面BED
又AC?平面ACD,
所以平面BED⊥平面ACD.
(2)取DA的中点G,连接EG,BG,
因为EG为中位线,所以EG//CD,
又AD⊥CD,所以AD⊥EG.
因为AB=BD,G为DA的中点,所以AD⊥BG.
又EG∩BG=G,EG,BG?平面BEG,
所以AD⊥平面BEG,BE?平面BEG,
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