本题导读
本题考查正多面体(正三棱柱)中异面直线所成角的计算。可通过空间直角坐标系转化为向量的数量积,亦可通过平移构造成平面三角形求解。
📌【题干】
Question
(2009年四川卷(理)) 如图,已知正三棱柱 的各条棱长都相等, 是侧棱 的中点,则异面直线 和 所成的角的大小是.
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立空间直角坐标系,设棱长为 ,确定各顶点的坐标。
- 计算方向向量 与 的坐标。
- 通过计算两向量的数量积,若为 0 则直接得出两异面直线垂直,角度为 (或 )。
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(或 )
✍【详细解析】
Abstract
方法一:空间向量法 设正三棱柱的棱长为 。 取 的中点为 ,以 为原点, 的方向为 轴正方向,过 且平行于 的直线为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。
由于底面 为边长为 的正三角形,其高 。 可确定以下各点坐标:
因为 是侧棱 的中点,所以 的坐标为 。
计算方向向量:
计算两向量的数量积:
因为两向量数量积为 0,所以 。
方法二:几何平移法 设棱长为 。将 平移至以 为起点,得 。 由于 ,平移后点 坐标为 。 在 中: , , 。 因为 , 由勾股定理逆定理可知 。
故异面直线 和 所成的角的大小是 (或 )。
答案为:(或 )。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:异面直线所成的角,正三棱柱的空间几何特征。
- 核心方法:坐标系建系法(建系法是解决异面直线角最无脑且不易错的万能方法)。
- 避坑指南:异面直线所成角的取值范围为 ,若计算出余弦值为负值,需取其绝对值,转化为锐角。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题是经典的立体几何异面直线夹角求解问题,多见于各类模拟卷及高考压轴填空题,旨在训练学生的建系化简与空间想象力。
- 结论推广:在各棱长均相等的直三棱柱(或正三棱柱)中,若 是其中一条侧棱的中点,其对侧面各主对角线通常会呈现垂直关系。
🔗【关联脉络】
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