本题导读
本题考查立体几何中异面直线所成角的应用以及四面体体积的求解。核心条件是 两两互相垂直,这为建立空间直角坐标系提供了完美的天然条件。通过引入未知数表示高 ,利用异面直线夹角公式列出代数方程,求出高的长度,进而计算出体积。
📌【题干】
Question
(2000年上海卷(理)) 如图所示四面体 中, 、、 两两互相垂直,且 , 是 中点,异面直线 与 所成的角的大小为 ,求四面体 的体积.
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立空间直角坐标系:
- 因为 两两互相垂直,以点 为坐标原点,分别以 所在的直线为 轴、 轴、 轴建立空间直角坐标系。
- 坐标化表示关键点与向量:
- 设 。
- 写出 各点的坐标,进而表示出向量 与 。
- 通过夹角求高:
- 利用空间向量夹角公式 ,代入已知夹角的余弦值,解出 。
- 计算体积:
- 四面体 可视为以 为底面、 为高的三棱锥,由 求解。
✅【答案】
Success
四面体 的体积为
✍【详细解析】
Abstract
第一步:建立空间直角坐标系并表示坐标 根据题意, 两两互相垂直。 以 为原点,射线 分别为 轴、 轴、 轴的正方向建立空间直角坐标系 。
已知 ,设 。 则各顶点的坐标为:
因为 是 的中点,由中点坐标公式可得:
第二步:求方向向量的坐标形式 计算直线 与 的方向向量:
计算两向量的内积及各自的模长:
第三步:利用异面直线夹角公式求解 设异面直线 与 所成的角为 ,已知 。 根据向量夹角公式:
令其等于已知值:
两边同时平方: 因为 ,所以:
第四步:计算四面体 的体积 由于 ,故 为三棱锥 的高。 底面 是直角边长为 2 的等腰直角三角形,其面积为:
所以,四面体 的体积为:
答: 四面体 的体积为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间直角坐标系的建立、向量法求异面直线夹角、三棱锥体积公式。
- 核心方法:空间向量坐标法。当题目中显含两两垂直的结构时,建系坐标化可以把复杂的立体几何空间想象转化为代数方程组求解,准确率极高。
- 避坑指南:
- 异面直线所成角的范围是 ,其余弦值必须恒为正。在使用向量夹角公式时,分子务必加绝对值符号。
- 最终体积公式中前面的系数是 ,极易因粗心漏掉或记错成棱柱的系数而导致失分。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题为经典的立体几何解答题。在2000年传统几何法与现代向量法交替的背景下,属于运用向量代数工具降维打击的典型例题。
- 结论推广(几何法验证): 若取 中点 ,连接 ,则 且 。 此时 (或其补角)即为异面直线 与 所成的角 。利用 的余弦定理同样能解得 。
🔗【关联脉络】
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