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2020版高考数学新增分大一轮浙江专用版讲义:第八章立体几何与空间向量8.3
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§8.3 空间点、直线、平面之间的位置关系
最新考纲
考情考向分析
1.了解平面的含义,理解空间点、直线、平面位置关系的定义.
2.掌握可以作为推理依据的公理和定理.
主要考查与点、线、面位置关系有关的命题真假判断和求解异面直线所成的角,题型主要以选择题和填空题的形式出现,解题要求有较强的空间想象能力和逻辑推理能力.
1.四个公理
公理1:如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线在此平面内.
公理2:过不在一条直线上的三点,有且只有一个平面.
公理3:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的公共直线.
公理4:平行于同一条直线的两条直线互相平行.
2.直线与直线的位置关系
(1)位置关系的分类
(2)异面直线所成的角
①定义:设a,b是两条异面直线,经过空间任一点O作直线a′∥a,b′∥b,把a′与b′所成的锐角(或直角)叫做异面直线a与b所成的角(或夹角).
②范围:.
3.直线与平面的位置关系有直线在平面内、直线与平面相交、直线与平面平行三种情况.
4.平面与平面的位置关系有平行、相交两种情况.
5.等角定理
空间中如果两个角的两边分别对应平行,那么这两个角相等或互补.
概念方法微思考
1.分别在两个不同平面内的两条直线为异面直线吗?
提示 不一定.因为异面直线不同在任何一个平面内.分别在两个不同平面内的两条直线可能平行或相交.
2.空间中如果两个角的两边分别对应平行,那么这两个角一定相等吗?
提示 不一定.如果这两个角开口方向一致,则它们相等,若反向则互补.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)如果两个不重合的平面α,β有一条公共直线a,就说平面α,β相交,并记作α∩β=a.( √ )
(2)两个平面α,β有一个公共点A,就说α,β相交于过A点的任意一条直线.( × )
(3)如果两个平面有三个公共点,则这两个平面重合.( × )
(4)经过两条相交直线,有且只有一个平面.( √ )
(5)没有公共点的两条直线是异面直线.( × )
(6)若a,b是两条直线,α,β是两个平面,且a⊂α,b⊂β,则a,b是异面直线.( × )
题组二 教材改编
2.[P52B组T1(2)]如图所示,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E,F分别是AB,AD的中点,则异面直线B1C与EF所成角的大小为( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
答案 C
解析 连接B1D1,D1C,则B1D1∥EF,
故∠D1B1C即为所求的角.
又B1D1=B1C=D1C,
∴△B1D1C为等边三角形,
∴∠D1B1C=60°.
3.[P45例2]如图,在三棱锥A—BCD中,E,F,G,H分别是棱AB,BC,CD,DA的中点,则
(1)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为菱形;
(2)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为正方形.
答案 (1)AC=BD (2)AC=BD且AC⊥BD
解析 (1)∵四边形EFGH为菱形,
∴EF=EH,∴AC=BD.
(2)∵四边形EFGH为正方形,
∴EF=EH且EF⊥EH,
∵EF∥AC,EH∥BD,且EF=AC,EH=BD,
∴AC=BD且AC⊥BD.
题组三 易错自纠
4.α是一个平面,m,n是两条直线,A是一个点,若m⊄α,n⊂α,且A∈m,A∈α,则m,n的位置关系不可能是( )
A.垂直 B.相交
C.异面 D.平行
答案 D
解析 依题意,m∩α=A,n⊂α,
∴m与n可能异面、相交(垂直是相交的特例),一定不平行.
5.如图,α∩β=l,A,B∈α,C∈β,且C∉l,直线AB∩l=M,过A,B,C三点的平面记作γ,则γ与β的交线必通过( )
A.点A
B.点B
C.点C但不过点M
D.点C和点M
答案 D
解析 ∵AB⊂γ,M∈AB,∴M∈γ.
又α∩β=l,M∈l,∴M∈β.
根据公理3可知,M在γ与β的交线上.
同理可知,点C也在γ与β的交线上.
6.如图为正方体表面的一种展开图,则图中的四条线段AB,CD,EF,GH在原正方体中互为异面的对数为______.
答案 3
解析 平面图形的翻折应注意翻折前后相对位置的变化,则AB,CD,EF和GH在原正方体中,显然AB与CD,EF与GH,AB与GH都是异面直线,而AB与EF相交,CD与GH相交,CD与EF平行.故互为异面的直线有且只有3对.
题型一 平面基本性质的应用
例1 如图所示,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E,F分别是AB和AA1的中点.求证:
(1)E,C,D1,F四点共面;
(2)CE,D1F,DA三线共点.
证明 (1)如图,连接EF,CD1,A1B.
∵E,F分别是AB,AA1的中点,∴EF∥BA1.
又A1B∥D1C,∴EF∥CD1,
∴E,C,D1,F四点共面.
(2)∵EF∥CD1,EF
∴CE与D1F必相交,
设交点为P,如图所示.
则由P∈CE,CE⊂平面ABCD,得P∈平面ABCD.
同理P∈平面ADD1A1.
又平面ABCD∩平面ADD1A1=DA,
∴P∈直线DA,∴CE,D1F,DA三线共点.
思维升华 共面、共线、共点问题的证明
(1)证明共面的方法:①先确定一个平面,然后再证其余的线(或点)在这个平面内;②证两平面重合.
(2)证明共线的方法:①先由两点确定一条直线,再证其他各点都在这条直线上;②直接证明这些点都在同一条特定直线上.
(3)证明线共点问题的常用方法是:先证其中两条直线交于一点,再证其他直线经过该点.
跟踪训练1 如图,在空间四边形ABCD中,E,F分别是AB,AD的中点,G,H分别在BC,CD上,且BG∶GC=DH∶HC=1∶2.
(1)求证:E,F,G,H四点共面;
(2)设EG与FH交于点P,求证:P,A,C三点共线.
证明 (1)∵E,F分别为AB,AD的中点,
∴EF∥BD.
∵在△BCD中,==,
∴GH∥BD,∴EF∥GH.
∴E,F,G,H四点共面.
(2)∵EG∩FH=P,P∈EG,EG⊂平面ABC,
∴P∈平面ABC.
同理P∈平面ADC.
∴P为平面ABC与平面ADC的公共点.
又平面ABC∩平面ADC=AC,
∴P∈AC,∴P,A,C三点共线.
题型二 判断空间两直线的位置关系
例2 (1)若直线l1和l2是异面直线,l1在平面α内,l2在平面β内,l是平面α与平面β的交线,则下列命题正确的是( )
A.l与l1,l2都不相交
B.l与l1,l2都相交
C.l至多与l1,l2中的一条相交
D.l至少与l1,l2中的一条相交
答案 D
解析 由直线l1和l2是异面直线可知l1与l2不平行,故l1,l2中至少有一条与l相交.故选D.
(2)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,点E,F分别在A1D,AC上,且A1E=2ED,CF=2FA,则EF与BD1的位置关系是( )
A.相交但不垂直
B.相交且垂直
C.异面
D.平行
答案 D
解析 连接D1E并延长,与AD交于点M,由A1E=2ED,可得M为AD的中点,
连接BF并延长,交AD于点N,因为CF=2FA,可得N为AD的中点,所以M,N重合,所以EF和BD1共面,且=,=,所以=,所以EF∥BD1.
思维升华 空间中两直线位置关系的判定,主要是异面、平行和垂直的判定.异面直线可采用直接法或反证法;平行直线可利用三角形(梯形)中位线的性质、公理4及线面平行与面面平行的性质定理;垂直关系往往利用线面垂直或面面垂直的性质来解决.
跟踪训练2 (1)已知直线a,b分别在两个不同的平面α,β内,则“直线a和直线b相交”是“平面α和平面β相交”的( )
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
答案 A
解析 若直线a和直线b相交,则平面α和平面β相交;若平面α和平面β相交,那么直线a和直线b可能平行或异面或相交,故选A.
(2)如图所示,正方体ABCD-A1B1C1D1中,M,N分别为棱C1D1,C1C的中点,有以下四个结论:
①直线AM与CC1是相交直线;
②直线AM与BN是平行直线;
③直线BN与MB1是异面直线;
④直线AM与DD1是异面直线.
其中正确的结论为________.(填序号)
答案 ③④
解析 因为点A在平面CDD1C1外,点M在平面CDD1C1内,直线CC1在平面CDD1C1内,CC1不过点M,所以AM与CC1是异面直线,故①错;取DD1中点E,连接AE,则BN∥AE,但AE与AM相交,故②错;因为B1与BN都在平面BCC1B1内,M在平面BCC1B1外,BN不过点B1,所以BN与MB1是异面直线,故③正确;同理④正确,故填③④.
题型三 求两条异面直线所成的角
例3 (1)(2018·浙江金丽衢联考)正四面体ABCD中,E为棱AD的中点,过点A作平面BCE的平行平面,该平面与平面ABC、平面ACD的交线分别为l1,l2,则l1,l2所成角的正弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 由题意得BC∥l1,CE∥l2,则∠BCE即为l1与l2所成角.设正四面体的棱长为a,则易得EB=EC=a,设BC的中点为F,连接EF,则易得EF=a,则l1与 l2所成角的正弦值为sin∠BCE===,故选A.
(2)如图,把边长为4的正三角形ABC沿中线AD折起,使得二面角C—AD—E的大小为60°,则异面直线AC与DE所成角的余弦值为( )
A.- B. C.- D.
答案 B
解析 如图,取AB的中点F,连接DF,EF,因为D,F分别是线段BC,AB的中点,
所以DF∥AC,所以∠EDF(或其补角)是异面直线AC与DE所成的角.由正三角形的性质可得AD⊥BC,所以∠CDE就是二面角C—AD—E的平面角,所以∠CDE=60°.又CD=DE,所以△CDE是正三角形.作EG⊥CD,垂足为G,作FH⊥BD,垂足为H,连接EH,易知EG=DEsin 60°=2×=,DG=DEcos 60°=2×=1,DH=BD=×2=1,HG=DH+DG=2,FH=AD=×AC=××4=.由勾股定理,得EH===,EF===.
在△EDF中,由余弦定理,得cos∠EDF==-,所以异面直线AC与DE所成角的余弦值为,故选B.
思维升华 用平移法求异面直线所成的角的三个步骤
(1)一作:根据定义作平行线,作出异面直线所成的角;
(2)二证:证明作出的角是异面直线所成的角;
(3)三求:解三角形,求出所作的角.
跟踪训练3 (2018·全国Ⅱ)在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=1,AA1=,则异面直线AD1与DB1所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 方法一 如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1的一侧补上一个相同的长方体A′B′BA-A1′B1′B1A1.连接B1B′,
由长方体性质可知,B1B′∥AD1,所以∠DB1B′为异面直线AD1与DB1所成的角或其补角.连接DB′,由题意,得DB′==,
B′B1==2,DB1==.
在△DB′B1中,由余弦定理,得
DB′2=B′B+DB-2B′B1·DB1·cos∠DB1B′,
即5=4+5-2×2cos∠DB1B′,∴cos∠DB1B′=.
故选C.
方法二 如图,以点D为坐标原点,分别以DA,DC,DD1所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系D-xyz.
由题意,得A(1,0,0),D(0,0,0),
D1(0,0,),B1(1,1,),
∴=(-1,0,),=(1,1,),
∴·=-1×1+0×1+()2=2,
||=2,||=,
∴cos〈,〉===.
故选C.
立体几何中的线面位置关系
直观想象是指借助几何直观和空间想象感知事物的形态与变化,利用空间形式特别是图形,理解和解决数学问题.
例 如图所示,四边形ABEF和ABCD都是梯形,BC∥AD且BC=AD,BE∥FA且BE=FA,G,H分别为FA,FD的中点.
(1)证明:四边形BCHG是平行四边形;
(2)C,D,F,E四点是否共面?为什么?
(1)证明 由已知FG=GA,FH=HD,
可得GH∥AD且GH=AD.
又BC∥AD且BC=AD,
∴GH∥BC且GH=BC,
∴四边形BCHG为平行四边形.
(2)解 ∵BE∥AF且BE=AF,G为FA的中点,
∴BE∥FG且BE=FG,
∴四边形BEFG为平行四边形,
∴EF∥BG.
由(1)知BG∥CH.
∴EF∥CH,∴EF与CH共面.
又D∈FH,∴C,D,F,E四点共面.
素养提升 平面几何和立体几何在点线面的位置关系中有很多的不同,借助确定的几何模型,利用直观想象讨论点线面关系在平面和空间中的差异.
1.四条线段顺次首尾相连,它们最多可确定的平面个数为( )
A.4 B.3 C.2 D.1
答案 A
解析 首尾相连的四条线段每相邻两条确定一个平面,所以最多可以确定四个平面.
2.(2018·湖州模拟)a,b,c是两两不同的三条直线,下面四个命题中,真命题是( )
A.若直线a,b异面,b,c异面,则a,c异面
B.若直线a,b相交,b,c相交,则a,c相交
C.若a∥b,则a,b与c所成的角相等
D.若a⊥b,b⊥c,则a∥c
答案 C
解析 若直线a,b异面,b,c异面,则a,c相交、平行或异面;若a,b相交,b,c相交,则a,c相交、平行或异面;若a⊥b,b⊥c,则a,c相交、平行或异面;由异面直线所成的角的定义知C正确.故选C.
3.如图所示,平面α∩平面β=l,A∈α,B∈α,AB∩l=D,C∈β,C∉l,则平面ABC与平面β的交线是( )
A.直线AC B.直线AB
C.直线CD D.直线BC
答案 C
解析 由题意知,D∈l,l⊂β,所以D∈β,
又因为D∈AB,所以D∈平面ABC,
所以点D在平面ABC与平面β的交线上.
又因为C∈平面ABC,C∈β,
所以点C在平面β与平面ABC的交线上,
所以平面ABC∩平面β=CD.
4.如图所示,ABCD-A1B1C1D1是长方体,O是B1D1的中点,直线A1C交平面AB1D1于点M,则下列结论正确是( )
A.A,M,O三点共线
B.A,M,O,A1不共面
C.A,M,C,O不共面
D.B,B1,O,M共面
答案 A
解析 连接A1C1,AC,则A1C1∥AC,
∴A1,C1,A,C四点共面,∴A1C⊂平面ACC1A1,
∵M∈A1C,∴M∈平面ACC1A1,又M∈平面AB1D1,
∴M在平面ACC1A1与平面AB1D1的交线上,
同理A,O在平面ACC1A1与平面AB1D1的交线上.
∴A,M,O三点共线.
5.(2018·绍兴质检)如图,在正三棱柱ABC—A1B1C1中,AA1=AB,E,F分别为BC,BB1的中点,M,N分别为AA1,A1C1的中点,则直线MN与EF所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 方法一 如图,在原三棱柱的上方,再放一个完全一样的三棱柱,连接AC1,CB1,C1B′,
易得MN∥AC1,EF∥CB1∥C1B′,
那么∠AC1B′的补角即直线MN与EF所成的角.
设AA1=AB=a,则AC1=C1B′=a,
连接AB′,则AB′==3a,
由余弦定理得
cos∠AC1B′==-,
故直线MN与EF所成角的余弦值为.
方法二 如图,连接AC1,C1B,CB1,
设C1B与CB1交于点O,取AB的中点D,连接CD,OD,
则MN∥AC1∥OD,EF∥CB1,
那么∠DOC即直线MN与EF所成的角,
设AA1=AB=a,
则AC1=CB1=a,
于是OD=OC=,又CD=,于是△OCD为正三角形,故直线MN与EF所成角的余弦值为.
6.(2018·衢州质检)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为线段 A1C1的中点,则异面直线DE与B1C所成角的大小为( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 连接AC,BD,B1E,设BD与AC交于点O,连接B1O,则四边形DOB1E为平行四边形,所以DE∥OB1,所以异面直线DE与B1C所成角为∠OB1C,设正方体棱长为1,则B1C=,OC=,B1O=,
所以cos∠OB1C==.
又因为异面直线所成角的范围是,
所以∠OB1C=.
7.给出下列命题,其中正确的命题为________.(填序号)
①如果线段AB在平面α内,那么直线AB在平面α内;
②两个不同的平面可以相交于不在同一直线上的三个点A,B,C;
③若三条直线a,b,c互相平行且分别交直线l于A,B,C三点,则这四条直线共面;
④若三条直线两两相交,则这三条直线共面;
⑤两组对边相等的四边形是平行四边形.
答案 ①③
8.在三棱锥S-ABC中,G1,G2分别是△SAB和△SAC的重心,则直线G1G2与BC的位置关系是________.
答案 平行
解析 如图所示,连接SG1并延长交AB于M,连接SG2并延长交AC于N,连接MN.
由题意知SM为△SAB的中线,且SG1=SM,SN为△SAC的中线,且SG2=SN,
∴在△SMN中,=,∴G1G2∥MN,
易知MN是△ABC的中位线,∴MN∥BC,
∴G1G2∥BC.
9.如图,已知圆柱的轴截面ABB1A1是正方形,C是圆柱下底面弧AB的中点,C1是圆柱上底面弧A1B1的中点,那么异面直线AC1与BC所成角的正切值为________.
答案
解析 取圆柱下底面弧AB的另一中点D,连接C1D,AD,
因为C是圆柱下底面弧AB的中点,
所以AD∥BC,所以直线AC1与AD所成的角即为异面直线AC1与BC所成的角,因为C1是圆柱上底面弧A1B1的中点,所以C1D垂直于圆柱下底面,所以C1D⊥AD.
因为圆柱的轴截面ABB1A1是正方形,所以C1D=AD,
所以直线AC1与AD所成角的正切值为,
所以异面直线AC1与BC所成角的正切值为.
10.如图是正四面体的平面展开图,G,H,M,N分别为DE,BE,EF,EC的中点,在这个正四面体中,①GH与EF平行;②BD与MN为异面直线;③GH与MN成60°角;④DE与MN垂直.
以上四个命题中,正确命题的序号是________.
答案 ②③④
解析 还原成正四面体A-DEF,其中H与N重合,A,B,C三点重合.
易知GH与EF异面,BD与MN异面.
连接GM,∵△GMH为等边三角形,
∴GH与MN成60°角,
易证DE⊥AF,又MN∥AF,∴MN⊥DE.
因此正确命题的序号是②③④.
11.如图所示,A是△BCD所在平面外的一点,E,F分别是BC,AD的中点.
(1)求证:直线EF与BD是异面直线;
(2)若AC⊥BD,AC=BD,求EF与BD所成的角.
(1)证明 假设EF与BD不是异面直线,则EF与BD共面,从而DF与BE共面,即AD与BC共面,所以A,B,C,D在同一平面内,这与A是△BCD所在平面外的一点相矛盾.故直线EF与BD是异面直线.
(2)解 取CD的中点G,连接EG,FG,则AC∥FG,EG∥BD,
所以相交直线EF与EG所成的角,
即为异面直线EF与BD所成的角.
又因为AC⊥BD,则FG⊥EG.
在Rt△EGF中,由EG=FG=AC,求得∠FEG=45°,
即异面直线EF与BD所成的角为45°.
12.如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥底面ABC,D是PC的中点.已知∠BAC=,AB=2,AC=2,PA=2.求:
(1)三棱锥P-ABC的体积;
(2)异面直线BC与AD所成角的余弦值.
解 (1)S△ABC=×2×2=2,三棱锥P-ABC的体积为V=S△ABC·PA=×2×2=.
(2)如图,取PB的中点E,连接DE,AE,则ED∥BC,
所以∠ADE(或其补角)是异面直线BC与AD所成的角.在△ADE中,DE=2,AE=,AD=2,
cos∠ADE===.
故异面直线BC与AD所成角的余弦值为.
13.若空间中四条两两不同的直线l1,l2,l3,l4,满足l1⊥l2,l2⊥l3,l3⊥l4,则下列结论一定正确的是( )
A.l1⊥l4
B.l1∥l4
C.l1与l4既不垂直也不平行
D.l1与l4的位置关系不确定
答案 D
解析 如图,在长方体ABCD—A1B1C1D1中,记l1=DD1,l2=DC,l3=DA.若l4=AA1,满足l1⊥l2,l2⊥l3,l3⊥l4,此时l1∥l4,可以排除选项A和C.
若取C1D为l4,则l1与l4相交;若取BA为l4,则l1与l4异面;若取C1D1为l4,则l1与l4相交且垂直.因此l1与l4的位置关系不能确定.
14.平面α过正方体ABCD-A1B1C1D1的顶点A,α∥平面CB1D1,α∩平面ABCD=m,α∩平面ABB1A1=n,则m,n所成角的正弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 如图所示,设平面CB1D1∩平面ABCD=m1,
∵α∥平面CB1D1,则m1∥m,
又∵平面ABCD∥平面A1B1C1D1,
平面CB1D1∩平面A1B1C1D1=B1D1,∴B1D1∥m1,
∴B1D1∥m,同理可得CD1∥n.
故m,n所成角的大小与B1D1,CD1所成角的大小相等,即∠CD1B1的大小.
又∵B1C=B1D1=CD1(均为面对角线),
∴∠CD1B1=,得sin∠CD1B1=,故选A.
15.(2018·浙江省杭州市七校联考)如图,在Rt△ABC中,∠BAC=60°,点F在斜边AB上,且AB=4AF,点M在线段BC上运动,D,E是平面ABC同一侧的两点,AD⊥平面ABC,BE⊥平面ABC,AD=3,AC=BE=4.当点M运动到线段BC的中点时,异面直线CF与EM所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 取BF的中点N,连接MN,EN,
因为M,N分别为BC,BF的中点,所以MN∥CF,且MN=CF,所以∠EMN为异面直线CF与EM所成的角.
因为AC=4,∠BAC=60°,∠ACB=90°,
所以BC=4,BM=2,
所以EM===2.
因为AC=4,∠BAC=60°,∠ACB=90°,
所以AB=8,
所以AF=AB=2,BF=AB=6,
所以BN=3,
所以EN===5.
在△ACF中,由余弦定理得CF=2,所以MN=.
在△EMN中,由余弦定理可得
cos∠EMN=
==,
所以异面直线CF与EM所成角的余弦值为.故选A.
16.(2018·浙江省金华名校统考)如图,在三棱锥A—BCD中,平面ABC⊥平面BCD,△BAC与△BCD均为等腰直角三角形,且∠BAC=∠BCD=90°,BC=2.P是线段AB上的动点(不包括端点),若线段CD上存在点Q,使得异面直线PQ与AC成30°的角,则线段PA长度的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 方法一 由已知得CB⊥CD,以C为坐标原点,的方向为x轴正方向,的方向为y轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz,根据题意,得A(0,1,1),B(0,2,0),D(2,0,0).
令=λ(λ∈(0,1)),
=μ(μ∈(0,1]),
则=(0,λ,-λ),=(2μ,0,0),
∴=+-=(-2μ,1+λ,1-λ),
∴cos〈,〉=
==,
整理得3λ2+6μ2=1,显然3λ2<1,而λ∈(0,1),
∴λ∈,
||=|(0,λ,-λ)|=λ∈,故选B.
方法二 如图,将题图中的三棱锥补全为一个长方体,在平面ABC内,过点P作AB的垂线交CE于点R.因为AC⊥AB,PR⊥AB,所以AC∥PR,因而∠RPQ即为异面直线PQ与AC所成的角,所以∠RPQ=30°.设AP=x,则
CR=x,在Rt△PQR中,求得PR=,所以RQ= .
在Rt△CRQ中,CQ=∈(0,2),故0
解得x∈,故选B.
最新考纲
考情考向分析
1.了解平面的含义,理解空间点、直线、平面位置关系的定义.
2.掌握可以作为推理依据的公理和定理.
主要考查与点、线、面位置关系有关的命题真假判断和求解异面直线所成的角,题型主要以选择题和填空题的形式出现,解题要求有较强的空间想象能力和逻辑推理能力.
1.四个公理
公理1:如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线在此平面内.
公理2:过不在一条直线上的三点,有且只有一个平面.
公理3:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的公共直线.
公理4:平行于同一条直线的两条直线互相平行.
2.直线与直线的位置关系
(1)位置关系的分类
(2)异面直线所成的角
①定义:设a,b是两条异面直线,经过空间任一点O作直线a′∥a,b′∥b,把a′与b′所成的锐角(或直角)叫做异面直线a与b所成的角(或夹角).
②范围:.
3.直线与平面的位置关系有直线在平面内、直线与平面相交、直线与平面平行三种情况.
4.平面与平面的位置关系有平行、相交两种情况.
5.等角定理
空间中如果两个角的两边分别对应平行,那么这两个角相等或互补.
概念方法微思考
1.分别在两个不同平面内的两条直线为异面直线吗?
提示 不一定.因为异面直线不同在任何一个平面内.分别在两个不同平面内的两条直线可能平行或相交.
2.空间中如果两个角的两边分别对应平行,那么这两个角一定相等吗?
提示 不一定.如果这两个角开口方向一致,则它们相等,若反向则互补.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)如果两个不重合的平面α,β有一条公共直线a,就说平面α,β相交,并记作α∩β=a.( √ )
(2)两个平面α,β有一个公共点A,就说α,β相交于过A点的任意一条直线.( × )
(3)如果两个平面有三个公共点,则这两个平面重合.( × )
(4)经过两条相交直线,有且只有一个平面.( √ )
(5)没有公共点的两条直线是异面直线.( × )
(6)若a,b是两条直线,α,β是两个平面,且a⊂α,b⊂β,则a,b是异面直线.( × )
题组二 教材改编
2.[P52B组T1(2)]如图所示,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E,F分别是AB,AD的中点,则异面直线B1C与EF所成角的大小为( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
答案 C
解析 连接B1D1,D1C,则B1D1∥EF,
故∠D1B1C即为所求的角.
又B1D1=B1C=D1C,
∴△B1D1C为等边三角形,
∴∠D1B1C=60°.
3.[P45例2]如图,在三棱锥A—BCD中,E,F,G,H分别是棱AB,BC,CD,DA的中点,则
(1)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为菱形;
(2)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为正方形.
答案 (1)AC=BD (2)AC=BD且AC⊥BD
解析 (1)∵四边形EFGH为菱形,
∴EF=EH,∴AC=BD.
(2)∵四边形EFGH为正方形,
∴EF=EH且EF⊥EH,
∵EF∥AC,EH∥BD,且EF=AC,EH=BD,
∴AC=BD且AC⊥BD.
题组三 易错自纠
4.α是一个平面,m,n是两条直线,A是一个点,若m⊄α,n⊂α,且A∈m,A∈α,则m,n的位置关系不可能是( )
A.垂直 B.相交
C.异面 D.平行
答案 D
解析 依题意,m∩α=A,n⊂α,
∴m与n可能异面、相交(垂直是相交的特例),一定不平行.
5.如图,α∩β=l,A,B∈α,C∈β,且C∉l,直线AB∩l=M,过A,B,C三点的平面记作γ,则γ与β的交线必通过( )
A.点A
B.点B
C.点C但不过点M
D.点C和点M
答案 D
解析 ∵AB⊂γ,M∈AB,∴M∈γ.
又α∩β=l,M∈l,∴M∈β.
根据公理3可知,M在γ与β的交线上.
同理可知,点C也在γ与β的交线上.
6.如图为正方体表面的一种展开图,则图中的四条线段AB,CD,EF,GH在原正方体中互为异面的对数为______.
答案 3
解析 平面图形的翻折应注意翻折前后相对位置的变化,则AB,CD,EF和GH在原正方体中,显然AB与CD,EF与GH,AB与GH都是异面直线,而AB与EF相交,CD与GH相交,CD与EF平行.故互为异面的直线有且只有3对.
题型一 平面基本性质的应用
例1 如图所示,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E,F分别是AB和AA1的中点.求证:
(1)E,C,D1,F四点共面;
(2)CE,D1F,DA三线共点.
证明 (1)如图,连接EF,CD1,A1B.
∵E,F分别是AB,AA1的中点,∴EF∥BA1.
又A1B∥D1C,∴EF∥CD1,
∴E,C,D1,F四点共面.
(2)∵EF∥CD1,EF
设交点为P,如图所示.
则由P∈CE,CE⊂平面ABCD,得P∈平面ABCD.
同理P∈平面ADD1A1.
又平面ABCD∩平面ADD1A1=DA,
∴P∈直线DA,∴CE,D1F,DA三线共点.
思维升华 共面、共线、共点问题的证明
(1)证明共面的方法:①先确定一个平面,然后再证其余的线(或点)在这个平面内;②证两平面重合.
(2)证明共线的方法:①先由两点确定一条直线,再证其他各点都在这条直线上;②直接证明这些点都在同一条特定直线上.
(3)证明线共点问题的常用方法是:先证其中两条直线交于一点,再证其他直线经过该点.
跟踪训练1 如图,在空间四边形ABCD中,E,F分别是AB,AD的中点,G,H分别在BC,CD上,且BG∶GC=DH∶HC=1∶2.
(1)求证:E,F,G,H四点共面;
(2)设EG与FH交于点P,求证:P,A,C三点共线.
证明 (1)∵E,F分别为AB,AD的中点,
∴EF∥BD.
∵在△BCD中,==,
∴GH∥BD,∴EF∥GH.
∴E,F,G,H四点共面.
(2)∵EG∩FH=P,P∈EG,EG⊂平面ABC,
∴P∈平面ABC.
同理P∈平面ADC.
∴P为平面ABC与平面ADC的公共点.
又平面ABC∩平面ADC=AC,
∴P∈AC,∴P,A,C三点共线.
题型二 判断空间两直线的位置关系
例2 (1)若直线l1和l2是异面直线,l1在平面α内,l2在平面β内,l是平面α与平面β的交线,则下列命题正确的是( )
A.l与l1,l2都不相交
B.l与l1,l2都相交
C.l至多与l1,l2中的一条相交
D.l至少与l1,l2中的一条相交
答案 D
解析 由直线l1和l2是异面直线可知l1与l2不平行,故l1,l2中至少有一条与l相交.故选D.
(2)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,点E,F分别在A1D,AC上,且A1E=2ED,CF=2FA,则EF与BD1的位置关系是( )
A.相交但不垂直
B.相交且垂直
C.异面
D.平行
答案 D
解析 连接D1E并延长,与AD交于点M,由A1E=2ED,可得M为AD的中点,
连接BF并延长,交AD于点N,因为CF=2FA,可得N为AD的中点,所以M,N重合,所以EF和BD1共面,且=,=,所以=,所以EF∥BD1.
思维升华 空间中两直线位置关系的判定,主要是异面、平行和垂直的判定.异面直线可采用直接法或反证法;平行直线可利用三角形(梯形)中位线的性质、公理4及线面平行与面面平行的性质定理;垂直关系往往利用线面垂直或面面垂直的性质来解决.
跟踪训练2 (1)已知直线a,b分别在两个不同的平面α,β内,则“直线a和直线b相交”是“平面α和平面β相交”的( )
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
答案 A
解析 若直线a和直线b相交,则平面α和平面β相交;若平面α和平面β相交,那么直线a和直线b可能平行或异面或相交,故选A.
(2)如图所示,正方体ABCD-A1B1C1D1中,M,N分别为棱C1D1,C1C的中点,有以下四个结论:
①直线AM与CC1是相交直线;
②直线AM与BN是平行直线;
③直线BN与MB1是异面直线;
④直线AM与DD1是异面直线.
其中正确的结论为________.(填序号)
答案 ③④
解析 因为点A在平面CDD1C1外,点M在平面CDD1C1内,直线CC1在平面CDD1C1内,CC1不过点M,所以AM与CC1是异面直线,故①错;取DD1中点E,连接AE,则BN∥AE,但AE与AM相交,故②错;因为B1与BN都在平面BCC1B1内,M在平面BCC1B1外,BN不过点B1,所以BN与MB1是异面直线,故③正确;同理④正确,故填③④.
题型三 求两条异面直线所成的角
例3 (1)(2018·浙江金丽衢联考)正四面体ABCD中,E为棱AD的中点,过点A作平面BCE的平行平面,该平面与平面ABC、平面ACD的交线分别为l1,l2,则l1,l2所成角的正弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 由题意得BC∥l1,CE∥l2,则∠BCE即为l1与l2所成角.设正四面体的棱长为a,则易得EB=EC=a,设BC的中点为F,连接EF,则易得EF=a,则l1与 l2所成角的正弦值为sin∠BCE===,故选A.
(2)如图,把边长为4的正三角形ABC沿中线AD折起,使得二面角C—AD—E的大小为60°,则异面直线AC与DE所成角的余弦值为( )
A.- B. C.- D.
答案 B
解析 如图,取AB的中点F,连接DF,EF,因为D,F分别是线段BC,AB的中点,
所以DF∥AC,所以∠EDF(或其补角)是异面直线AC与DE所成的角.由正三角形的性质可得AD⊥BC,所以∠CDE就是二面角C—AD—E的平面角,所以∠CDE=60°.又CD=DE,所以△CDE是正三角形.作EG⊥CD,垂足为G,作FH⊥BD,垂足为H,连接EH,易知EG=DEsin 60°=2×=,DG=DEcos 60°=2×=1,DH=BD=×2=1,HG=DH+DG=2,FH=AD=×AC=××4=.由勾股定理,得EH===,EF===.
在△EDF中,由余弦定理,得cos∠EDF==-,所以异面直线AC与DE所成角的余弦值为,故选B.
思维升华 用平移法求异面直线所成的角的三个步骤
(1)一作:根据定义作平行线,作出异面直线所成的角;
(2)二证:证明作出的角是异面直线所成的角;
(3)三求:解三角形,求出所作的角.
跟踪训练3 (2018·全国Ⅱ)在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=1,AA1=,则异面直线AD1与DB1所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 方法一 如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1的一侧补上一个相同的长方体A′B′BA-A1′B1′B1A1.连接B1B′,
由长方体性质可知,B1B′∥AD1,所以∠DB1B′为异面直线AD1与DB1所成的角或其补角.连接DB′,由题意,得DB′==,
B′B1==2,DB1==.
在△DB′B1中,由余弦定理,得
DB′2=B′B+DB-2B′B1·DB1·cos∠DB1B′,
即5=4+5-2×2cos∠DB1B′,∴cos∠DB1B′=.
故选C.
方法二 如图,以点D为坐标原点,分别以DA,DC,DD1所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系D-xyz.
由题意,得A(1,0,0),D(0,0,0),
D1(0,0,),B1(1,1,),
∴=(-1,0,),=(1,1,),
∴·=-1×1+0×1+()2=2,
||=2,||=,
∴cos〈,〉===.
故选C.
立体几何中的线面位置关系
直观想象是指借助几何直观和空间想象感知事物的形态与变化,利用空间形式特别是图形,理解和解决数学问题.
例 如图所示,四边形ABEF和ABCD都是梯形,BC∥AD且BC=AD,BE∥FA且BE=FA,G,H分别为FA,FD的中点.
(1)证明:四边形BCHG是平行四边形;
(2)C,D,F,E四点是否共面?为什么?
(1)证明 由已知FG=GA,FH=HD,
可得GH∥AD且GH=AD.
又BC∥AD且BC=AD,
∴GH∥BC且GH=BC,
∴四边形BCHG为平行四边形.
(2)解 ∵BE∥AF且BE=AF,G为FA的中点,
∴BE∥FG且BE=FG,
∴四边形BEFG为平行四边形,
∴EF∥BG.
由(1)知BG∥CH.
∴EF∥CH,∴EF与CH共面.
又D∈FH,∴C,D,F,E四点共面.
素养提升 平面几何和立体几何在点线面的位置关系中有很多的不同,借助确定的几何模型,利用直观想象讨论点线面关系在平面和空间中的差异.
1.四条线段顺次首尾相连,它们最多可确定的平面个数为( )
A.4 B.3 C.2 D.1
答案 A
解析 首尾相连的四条线段每相邻两条确定一个平面,所以最多可以确定四个平面.
2.(2018·湖州模拟)a,b,c是两两不同的三条直线,下面四个命题中,真命题是( )
A.若直线a,b异面,b,c异面,则a,c异面
B.若直线a,b相交,b,c相交,则a,c相交
C.若a∥b,则a,b与c所成的角相等
D.若a⊥b,b⊥c,则a∥c
答案 C
解析 若直线a,b异面,b,c异面,则a,c相交、平行或异面;若a,b相交,b,c相交,则a,c相交、平行或异面;若a⊥b,b⊥c,则a,c相交、平行或异面;由异面直线所成的角的定义知C正确.故选C.
3.如图所示,平面α∩平面β=l,A∈α,B∈α,AB∩l=D,C∈β,C∉l,则平面ABC与平面β的交线是( )
A.直线AC B.直线AB
C.直线CD D.直线BC
答案 C
解析 由题意知,D∈l,l⊂β,所以D∈β,
又因为D∈AB,所以D∈平面ABC,
所以点D在平面ABC与平面β的交线上.
又因为C∈平面ABC,C∈β,
所以点C在平面β与平面ABC的交线上,
所以平面ABC∩平面β=CD.
4.如图所示,ABCD-A1B1C1D1是长方体,O是B1D1的中点,直线A1C交平面AB1D1于点M,则下列结论正确是( )
A.A,M,O三点共线
B.A,M,O,A1不共面
C.A,M,C,O不共面
D.B,B1,O,M共面
答案 A
解析 连接A1C1,AC,则A1C1∥AC,
∴A1,C1,A,C四点共面,∴A1C⊂平面ACC1A1,
∵M∈A1C,∴M∈平面ACC1A1,又M∈平面AB1D1,
∴M在平面ACC1A1与平面AB1D1的交线上,
同理A,O在平面ACC1A1与平面AB1D1的交线上.
∴A,M,O三点共线.
5.(2018·绍兴质检)如图,在正三棱柱ABC—A1B1C1中,AA1=AB,E,F分别为BC,BB1的中点,M,N分别为AA1,A1C1的中点,则直线MN与EF所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 方法一 如图,在原三棱柱的上方,再放一个完全一样的三棱柱,连接AC1,CB1,C1B′,
易得MN∥AC1,EF∥CB1∥C1B′,
那么∠AC1B′的补角即直线MN与EF所成的角.
设AA1=AB=a,则AC1=C1B′=a,
连接AB′,则AB′==3a,
由余弦定理得
cos∠AC1B′==-,
故直线MN与EF所成角的余弦值为.
方法二 如图,连接AC1,C1B,CB1,
设C1B与CB1交于点O,取AB的中点D,连接CD,OD,
则MN∥AC1∥OD,EF∥CB1,
那么∠DOC即直线MN与EF所成的角,
设AA1=AB=a,
则AC1=CB1=a,
于是OD=OC=,又CD=,于是△OCD为正三角形,故直线MN与EF所成角的余弦值为.
6.(2018·衢州质检)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为线段 A1C1的中点,则异面直线DE与B1C所成角的大小为( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 连接AC,BD,B1E,设BD与AC交于点O,连接B1O,则四边形DOB1E为平行四边形,所以DE∥OB1,所以异面直线DE与B1C所成角为∠OB1C,设正方体棱长为1,则B1C=,OC=,B1O=,
所以cos∠OB1C==.
又因为异面直线所成角的范围是,
所以∠OB1C=.
7.给出下列命题,其中正确的命题为________.(填序号)
①如果线段AB在平面α内,那么直线AB在平面α内;
②两个不同的平面可以相交于不在同一直线上的三个点A,B,C;
③若三条直线a,b,c互相平行且分别交直线l于A,B,C三点,则这四条直线共面;
④若三条直线两两相交,则这三条直线共面;
⑤两组对边相等的四边形是平行四边形.
答案 ①③
8.在三棱锥S-ABC中,G1,G2分别是△SAB和△SAC的重心,则直线G1G2与BC的位置关系是________.
答案 平行
解析 如图所示,连接SG1并延长交AB于M,连接SG2并延长交AC于N,连接MN.
由题意知SM为△SAB的中线,且SG1=SM,SN为△SAC的中线,且SG2=SN,
∴在△SMN中,=,∴G1G2∥MN,
易知MN是△ABC的中位线,∴MN∥BC,
∴G1G2∥BC.
9.如图,已知圆柱的轴截面ABB1A1是正方形,C是圆柱下底面弧AB的中点,C1是圆柱上底面弧A1B1的中点,那么异面直线AC1与BC所成角的正切值为________.
答案
解析 取圆柱下底面弧AB的另一中点D,连接C1D,AD,
因为C是圆柱下底面弧AB的中点,
所以AD∥BC,所以直线AC1与AD所成的角即为异面直线AC1与BC所成的角,因为C1是圆柱上底面弧A1B1的中点,所以C1D垂直于圆柱下底面,所以C1D⊥AD.
因为圆柱的轴截面ABB1A1是正方形,所以C1D=AD,
所以直线AC1与AD所成角的正切值为,
所以异面直线AC1与BC所成角的正切值为.
10.如图是正四面体的平面展开图,G,H,M,N分别为DE,BE,EF,EC的中点,在这个正四面体中,①GH与EF平行;②BD与MN为异面直线;③GH与MN成60°角;④DE与MN垂直.
以上四个命题中,正确命题的序号是________.
答案 ②③④
解析 还原成正四面体A-DEF,其中H与N重合,A,B,C三点重合.
易知GH与EF异面,BD与MN异面.
连接GM,∵△GMH为等边三角形,
∴GH与MN成60°角,
易证DE⊥AF,又MN∥AF,∴MN⊥DE.
因此正确命题的序号是②③④.
11.如图所示,A是△BCD所在平面外的一点,E,F分别是BC,AD的中点.
(1)求证:直线EF与BD是异面直线;
(2)若AC⊥BD,AC=BD,求EF与BD所成的角.
(1)证明 假设EF与BD不是异面直线,则EF与BD共面,从而DF与BE共面,即AD与BC共面,所以A,B,C,D在同一平面内,这与A是△BCD所在平面外的一点相矛盾.故直线EF与BD是异面直线.
(2)解 取CD的中点G,连接EG,FG,则AC∥FG,EG∥BD,
所以相交直线EF与EG所成的角,
即为异面直线EF与BD所成的角.
又因为AC⊥BD,则FG⊥EG.
在Rt△EGF中,由EG=FG=AC,求得∠FEG=45°,
即异面直线EF与BD所成的角为45°.
12.如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥底面ABC,D是PC的中点.已知∠BAC=,AB=2,AC=2,PA=2.求:
(1)三棱锥P-ABC的体积;
(2)异面直线BC与AD所成角的余弦值.
解 (1)S△ABC=×2×2=2,三棱锥P-ABC的体积为V=S△ABC·PA=×2×2=.
(2)如图,取PB的中点E,连接DE,AE,则ED∥BC,
所以∠ADE(或其补角)是异面直线BC与AD所成的角.在△ADE中,DE=2,AE=,AD=2,
cos∠ADE===.
故异面直线BC与AD所成角的余弦值为.
13.若空间中四条两两不同的直线l1,l2,l3,l4,满足l1⊥l2,l2⊥l3,l3⊥l4,则下列结论一定正确的是( )
A.l1⊥l4
B.l1∥l4
C.l1与l4既不垂直也不平行
D.l1与l4的位置关系不确定
答案 D
解析 如图,在长方体ABCD—A1B1C1D1中,记l1=DD1,l2=DC,l3=DA.若l4=AA1,满足l1⊥l2,l2⊥l3,l3⊥l4,此时l1∥l4,可以排除选项A和C.
若取C1D为l4,则l1与l4相交;若取BA为l4,则l1与l4异面;若取C1D1为l4,则l1与l4相交且垂直.因此l1与l4的位置关系不能确定.
14.平面α过正方体ABCD-A1B1C1D1的顶点A,α∥平面CB1D1,α∩平面ABCD=m,α∩平面ABB1A1=n,则m,n所成角的正弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 如图所示,设平面CB1D1∩平面ABCD=m1,
∵α∥平面CB1D1,则m1∥m,
又∵平面ABCD∥平面A1B1C1D1,
平面CB1D1∩平面A1B1C1D1=B1D1,∴B1D1∥m1,
∴B1D1∥m,同理可得CD1∥n.
故m,n所成角的大小与B1D1,CD1所成角的大小相等,即∠CD1B1的大小.
又∵B1C=B1D1=CD1(均为面对角线),
∴∠CD1B1=,得sin∠CD1B1=,故选A.
15.(2018·浙江省杭州市七校联考)如图,在Rt△ABC中,∠BAC=60°,点F在斜边AB上,且AB=4AF,点M在线段BC上运动,D,E是平面ABC同一侧的两点,AD⊥平面ABC,BE⊥平面ABC,AD=3,AC=BE=4.当点M运动到线段BC的中点时,异面直线CF与EM所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 取BF的中点N,连接MN,EN,
因为M,N分别为BC,BF的中点,所以MN∥CF,且MN=CF,所以∠EMN为异面直线CF与EM所成的角.
因为AC=4,∠BAC=60°,∠ACB=90°,
所以BC=4,BM=2,
所以EM===2.
因为AC=4,∠BAC=60°,∠ACB=90°,
所以AB=8,
所以AF=AB=2,BF=AB=6,
所以BN=3,
所以EN===5.
在△ACF中,由余弦定理得CF=2,所以MN=.
在△EMN中,由余弦定理可得
cos∠EMN=
==,
所以异面直线CF与EM所成角的余弦值为.故选A.
16.(2018·浙江省金华名校统考)如图,在三棱锥A—BCD中,平面ABC⊥平面BCD,△BAC与△BCD均为等腰直角三角形,且∠BAC=∠BCD=90°,BC=2.P是线段AB上的动点(不包括端点),若线段CD上存在点Q,使得异面直线PQ与AC成30°的角,则线段PA长度的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 方法一 由已知得CB⊥CD,以C为坐标原点,的方向为x轴正方向,的方向为y轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz,根据题意,得A(0,1,1),B(0,2,0),D(2,0,0).
令=λ(λ∈(0,1)),
=μ(μ∈(0,1]),
则=(0,λ,-λ),=(2μ,0,0),
∴=+-=(-2μ,1+λ,1-λ),
∴cos〈,〉=
==,
整理得3λ2+6μ2=1,显然3λ2<1,而λ∈(0,1),
∴λ∈,
||=|(0,λ,-λ)|=λ∈,故选B.
方法二 如图,将题图中的三棱锥补全为一个长方体,在平面ABC内,过点P作AB的垂线交CE于点R.因为AC⊥AB,PR⊥AB,所以AC∥PR,因而∠RPQ即为异面直线PQ与AC所成的角,所以∠RPQ=30°.设AP=x,则
CR=x,在Rt△PQR中,求得PR=,所以RQ= .
在Rt△CRQ中,CQ=∈(0,2),故0
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