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1定义:
有一定点的三条棱两两互相垂直的三棱锥叫墙角体。如图示:三棱锥中,P-ABC中,∠APB=∠APC=∠BPC=90° 则记作:墙角体P-ABC。
2性质:
墙角体是一种很重要的三棱锥,它有很多重要性质,如图设PA=a;PB=a;PC=a则有以下重要的常用的性质:
1、VP-ABC=16abc;
2、点P到平面ABC的距离PH=abca2b2+b2c2+a2c2;
3、三角形ABC的面积S=12a2b2+b2c2+a2c2;
4、PA、PB、PC与底面ABC所成角大小分别是:
arctanbcac2+b2;arctanacba2+c2;
arctanabca2+b2
5、P-BC-A、P-AC-B、P-AB-C三个二面角大小分别是:
arctanac2+b2bc;arctanba2+c2ac;
arctanca2+b2ab
3应用:
例1(05年福建)
ABCD是边长为2的正方形,D-AB-E是直二面角,AE=EB,BF⊥面ACE,F在线段CE上
①求二面角B-AC-E大小;
②求点B到面ACE的距离;
解:由题意可构造如图正方体,从而得墙角体B-ACQ;∵ BC=BA=BQ=2
∴①求为二面角B-AC-E大小:为arctan222+222×2=arctan2
即二面角B-AC-E大小为:arctan2;
②求点B到面ACE的距离为:d=2×2×22222+2222+2222=323
即点B到面ACE的距离为323。
点评:本题巧妙之处在于很好的利用题中条件构造出边长为2的正方体,这样所求问题即转化为墙角体B-ACQ中的问题,直接利用重要性质求解,极其简洁。
例2(06全国Ⅰ)
如图:11、12是异面直线,11⊥12,MN是公垂线,M在11上、N在12上;11上有异于M的A、B两点,12上有异于N的C点;AM=MN=BM。
①证明:AC⊥NB
②设∠ACB=60°;求NB与面ABC所成角大小;
①证明:
依题意有CN⊥AB.CN⊥MN.∴CN⊥面ABN
又AM=MN=BM;得AN⊥BN;由三垂线定理得BN⊥AC。
②解:
由上得墙角体N-ABC且AC=BC又∠ACB=60°∴AC=BC=AC
故NC=NA=NB不妨设:NC=NA=NB=m
∴NB与面ABC成角大小为:arctanm·mmm2+m2=arctan2
点评:第二问在墙角体N-ABC中求线面角,避免作图麻烦,尤其简洁巧妙。比起参考答案大大缩减了运算量;计算很简单。
例3(07辽宁)
如图直三棱锥ABC-A1B1C1中,∠ACB=90°;AC=BC=a;D、E分别为棱AB、BC中点;M为AA1上点,二面角M-DE-A大小为30°。
①证明:A1B1⊥C1D
②求MN长,并求C到面MDE的距离
证明:连结CD;AB=BC=a,∠ACB=90°;D为AB中点∴AB⊥CD;又由CC1⊥平面ABC,所以由三垂线定理得AB⊥C1D;面AB//A1B1;∴A1B1⊥C1D
解:在面ABC内作AP⊥AB交ED延长线于P连结MP;作MQ⊥PE于Q;连结AQ;则依题意得墙角体A-MPE;且∠MQA=30°;如图意得AQ=a2;AP=2a2在直角三角形MAQ中AM=AQtan∠MQA=3a6;∴点A到面MPE距离为:
d=3a62a22a2(36a)2(2a2)2+(36a)2(2a2)2+(2a2)2(2a2)2=a4
点评:巧妙构造墙角体A-MPE是解决本题第二问的精华之所在,大大提高了解题效率,比起高考参考答案,此解法堪称经典。
4反思
墙角体的性质及应用,体现了几何模型在解题中的重要作用,要善于挖掘题目中直接和间接的条件,巧妙构造熟知的几何模型,大大简化解题思路,往往出奇制胜,解题方法独特,值得大力推广。
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
有一定点的三条棱两两互相垂直的三棱锥叫墙角体。如图示:三棱锥中,P-ABC中,∠APB=∠APC=∠BPC=90° 则记作:墙角体P-ABC。
2性质:
墙角体是一种很重要的三棱锥,它有很多重要性质,如图设PA=a;PB=a;PC=a则有以下重要的常用的性质:
1、VP-ABC=16abc;
2、点P到平面ABC的距离PH=abca2b2+b2c2+a2c2;
3、三角形ABC的面积S=12a2b2+b2c2+a2c2;
4、PA、PB、PC与底面ABC所成角大小分别是:
arctanbcac2+b2;arctanacba2+c2;
arctanabca2+b2
5、P-BC-A、P-AC-B、P-AB-C三个二面角大小分别是:
arctanac2+b2bc;arctanba2+c2ac;
arctanca2+b2ab
3应用:
例1(05年福建)
ABCD是边长为2的正方形,D-AB-E是直二面角,AE=EB,BF⊥面ACE,F在线段CE上
①求二面角B-AC-E大小;
②求点B到面ACE的距离;
解:由题意可构造如图正方体,从而得墙角体B-ACQ;∵ BC=BA=BQ=2
∴①求为二面角B-AC-E大小:为arctan222+222×2=arctan2
即二面角B-AC-E大小为:arctan2;
②求点B到面ACE的距离为:d=2×2×22222+2222+2222=323
即点B到面ACE的距离为323。
点评:本题巧妙之处在于很好的利用题中条件构造出边长为2的正方体,这样所求问题即转化为墙角体B-ACQ中的问题,直接利用重要性质求解,极其简洁。
例2(06全国Ⅰ)
如图:11、12是异面直线,11⊥12,MN是公垂线,M在11上、N在12上;11上有异于M的A、B两点,12上有异于N的C点;AM=MN=BM。
①证明:AC⊥NB
②设∠ACB=60°;求NB与面ABC所成角大小;
①证明:
依题意有CN⊥AB.CN⊥MN.∴CN⊥面ABN
又AM=MN=BM;得AN⊥BN;由三垂线定理得BN⊥AC。
②解:
由上得墙角体N-ABC且AC=BC又∠ACB=60°∴AC=BC=AC
故NC=NA=NB不妨设:NC=NA=NB=m
∴NB与面ABC成角大小为:arctanm·mmm2+m2=arctan2
点评:第二问在墙角体N-ABC中求线面角,避免作图麻烦,尤其简洁巧妙。比起参考答案大大缩减了运算量;计算很简单。
例3(07辽宁)
如图直三棱锥ABC-A1B1C1中,∠ACB=90°;AC=BC=a;D、E分别为棱AB、BC中点;M为AA1上点,二面角M-DE-A大小为30°。
①证明:A1B1⊥C1D
②求MN长,并求C到面MDE的距离
证明:连结CD;AB=BC=a,∠ACB=90°;D为AB中点∴AB⊥CD;又由CC1⊥平面ABC,所以由三垂线定理得AB⊥C1D;面AB//A1B1;∴A1B1⊥C1D
解:在面ABC内作AP⊥AB交ED延长线于P连结MP;作MQ⊥PE于Q;连结AQ;则依题意得墙角体A-MPE;且∠MQA=30°;如图意得AQ=a2;AP=2a2在直角三角形MAQ中AM=AQtan∠MQA=3a6;∴点A到面MPE距离为:
d=3a62a22a2(36a)2(2a2)2+(36a)2(2a2)2+(2a2)2(2a2)2=a4
点评:巧妙构造墙角体A-MPE是解决本题第二问的精华之所在,大大提高了解题效率,比起高考参考答案,此解法堪称经典。
4反思
墙角体的性质及应用,体现了几何模型在解题中的重要作用,要善于挖掘题目中直接和间接的条件,巧妙构造熟知的几何模型,大大简化解题思路,往往出奇制胜,解题方法独特,值得大力推广。
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文