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求异面直线之间的距离是立体几何中比较常见的问题,既是立体几何的重点,也是难点,更是高考的热点.对于此类问题,许多同学常常会感到比较困难,往往无从入手.求解此类问题的方法其实是多种多样的,主要有“定义法”和“转化法”,特别是转化的思想技巧性强,有利于培养同学们的创新能力.“转化法”常将两条异面直线之间的距离,转化成直线与平面的距离或平面与平面的距离来求解,有时还会借助于棱锥体积来求.这种解法与直线与平面、多面体、平面几何、代数等许多知识紧密联系,因此有利于知识的巩固与深化.下面举例说明求解异面直线之间距离的多种解法,希望同学们能够从中得到有益的启示.
例1已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,求直线DA1与AC之间的距离.图1
一、定义法
利用异面直线距离的定义,做(找)出公垂线段并求其长度.
图2解法1如图1所示,易证BD1⊥AC,BD1⊥DA1.设DD1的中点为E,BD交AC于O,则OE∥BD1,连接AE交DA1于M,做MN∥OE交AC于N,则MN∥BD1,且MN为AC与DA1的公垂线
段.如图2,在正方形ADD1A1中,易证M为AE的一个三等分点.同理可知N为AC的一个三等分点,从而MN=23OE=13BD1=33.
二、转换法
利用异面直线的距离,等于其中一条直线(a)到经过另一条直线(b)且与这条直线(a)平行的平面的距离,进而转化为点面的距离.
图3解法2如图3,易证AC∥面DA1C1,则AC到DA1的距离等于AC到面A1DC1的距离.设AC与BD交于O,则O点到面A1DC1的距离等于异面直线DA1与AC的距离.
∵AC⊥BD,AC⊥B1B,∴AC⊥面BB1D1D,∴A1C1⊥面BB1D1D,
∴面A1DC1⊥面BB1D1D且交线为O1D,作OE⊥O1D,则OE⊥面A1DC1,易求得OE=33,即异面直线DA1与AC之间的距离为33.
解法3 转化为两平行平面之间的距离.
易证面A1C1D∥面AB1C,则面A1C1D与面AB1C的距离等于异面直线DA1与AC的距离.易证BD1⊥面A1C1D,BD1⊥面AB1C,设垂足分别为O1和O2,易证O1、O2为BD1的三等分点,所以O1O2=33,为异面直线DA1与AC的距离.
三、等积法
利用三棱锥体积不变,求点到面的距离.
解法4由解法2知,AC与DA1的距离等于AC到平面A1DC1的距离.如图4所示.
巩固练习
1.一个四面体的顶点在空间直角坐标系O-xyz中的坐标分别是(1,0,1),(1,1,0),(0,1,1),(0,0,0),画该四面体三视图中的正视图时,
以zOx平面为投影面,则得到的正视图可以为( ).
图5
2.某几何体的三视图如图5所示,则该几何体的体积为 ( ).
A16+8πB.8+8π
C.16+16πD.8+16π
参考答案:1.A2.A
(收稿日期:2014-04-28)
例1已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,求直线DA1与AC之间的距离.图1
一、定义法
利用异面直线距离的定义,做(找)出公垂线段并求其长度.
图2解法1如图1所示,易证BD1⊥AC,BD1⊥DA1.设DD1的中点为E,BD交AC于O,则OE∥BD1,连接AE交DA1于M,做MN∥OE交AC于N,则MN∥BD1,且MN为AC与DA1的公垂线
段.如图2,在正方形ADD1A1中,易证M为AE的一个三等分点.同理可知N为AC的一个三等分点,从而MN=23OE=13BD1=33.
二、转换法
利用异面直线的距离,等于其中一条直线(a)到经过另一条直线(b)且与这条直线(a)平行的平面的距离,进而转化为点面的距离.
图3解法2如图3,易证AC∥面DA1C1,则AC到DA1的距离等于AC到面A1DC1的距离.设AC与BD交于O,则O点到面A1DC1的距离等于异面直线DA1与AC的距离.
∵AC⊥BD,AC⊥B1B,∴AC⊥面BB1D1D,∴A1C1⊥面BB1D1D,
∴面A1DC1⊥面BB1D1D且交线为O1D,作OE⊥O1D,则OE⊥面A1DC1,易求得OE=33,即异面直线DA1与AC之间的距离为33.
解法3 转化为两平行平面之间的距离.
易证面A1C1D∥面AB1C,则面A1C1D与面AB1C的距离等于异面直线DA1与AC的距离.易证BD1⊥面A1C1D,BD1⊥面AB1C,设垂足分别为O1和O2,易证O1、O2为BD1的三等分点,所以O1O2=33,为异面直线DA1与AC的距离.
三、等积法
利用三棱锥体积不变,求点到面的距离.
解法4由解法2知,AC与DA1的距离等于AC到平面A1DC1的距离.如图4所示.
巩固练习
1.一个四面体的顶点在空间直角坐标系O-xyz中的坐标分别是(1,0,1),(1,1,0),(0,1,1),(0,0,0),画该四面体三视图中的正视图时,
以zOx平面为投影面,则得到的正视图可以为( ).
图5
2.某几何体的三视图如图5所示,则该几何体的体积为 ( ).
A16+8πB.8+8π
C.16+16πD.8+16π
参考答案:1.A2.A
(收稿日期:2014-04-28)