本题导读

本题考查正方体面中心对角线之间的位置关系及夹角计算。核心在于通过平移向量或构造等边三角形来判定空间直线成角,并利用对称性进行不重不漏的计数。

📌【题干】

Question

(2014年安徽卷(理)) 从正方体六个面的对角线中任取两条作为一对,其中所成的角为 的共有()

A. 24 对     B. 30 对     C. 48 对     D. 60 对

🔍【思路分析】

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  1. 基础数据:正方体有 6 个面,每个面有 2 条对角线,总共有 条面对角线。

  2. 分析成角情况:面对角线之间的夹角只有三种可能:(平行)、(垂直或异面垂直)和 。

  3. 识别 的几何特征:

    • 当两条面对角线共用一个顶点,且第三条边也是面对角线时,它们构成一个等边三角形,此时夹角为 。

    • 例如在正方体 中, 三条线两两成 。

  4. 计数策略:

    • 法一(固定一条找其他):先固定一条面对角线 ,寻找与其成 的其他对角线数量。

    • 法二(找等边三角形):正方体中由面对角线构成的等边三角形个数,每个三角形贡献 3 对。

✅【答案】

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C

✍【详细解析】

Abstract

第一步:固定一条面对角线进行分析

设正方体为 ,取上底面的一条对角线 。

与其成 的对角线有:

  1. 与 相交于 的:(共 2 条);

  2. 与 相交于 的:(共 2 条);

  3. 与 异面但平移后成 的:(共 4 条)。

    由此可见,对于任意一条面对角线,与之成 的面对角线共有 条。

第二步:利用总数计算

正方体共有 条面对角线。

若不考虑重复,总对数为 对。

由于每对直线被重复计算了两次( 与 成 时,计算 算了一次,计算 又算了一次),

故实际满足条件的对数为:

另解:找等边三角形法

正方体有 8 个顶点,每个顶点可以作为等边三角形的一个顶点,连接该顶点出发的三条面对角线可构成 3 个等边三角形。

正方体中面对角线构成的等边三角形共有 8 个(对应 8 个顶点削下的三棱锥面)。

每个等边三角形包含 3 对 的直线,共 对。

等等,这种方法只算出了相交的情况。异面成 的情况还有 24 对。总计 对。

故选 C

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:正方体面对角线的夹角与计数。

  2. 核心方法:固定一条对角线,统计与之成 的对角线数,除以 去重。

  3. 避坑指南:注意审题与运算细节。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 正方体中面对角线构成的等边三角形。

  2. 结论推广: 正方体面对角线共 条,两两成 共 对。

  3. 方法推广: 空间直线成角计数可转化为等边三角形或共顶点分类。

🔗【关联脉络】

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