本题导读
本题考查空间向量法在立体几何中的应用,以及公垂线的证明与点到平面距离的计算。核心在于建立空间直角坐标系,将线线垂直判定与点面距离公式化。
📌【题干】
Question
(2003年广东卷) 已知正四棱柱 ,,, 为 中点, 为 中点.
(1) 证明: 为 与 的公垂线;
(2) 求点 到面 的距离.
🔍【思路分析】
破题导航
建立空间直角坐标系:由于图形为正四棱柱,底面是边长为 1 的正方形,侧棱垂直于底面,适合以 为原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。
向量法证明公垂线 (1):写出各关键点的坐标,求出向量 、 与 。计算数量积 和 ,若皆为 0,则线线垂直,命题得证。
向量法求点面距离 (2):求出平面 的一个法向量 ,求出从点 到平面内某一点(如点 )的向量 ,利用公式 求解。
✅【答案】
Success
(1) 证明见解析
(2)
✍【详细解析】
Abstract
以 为坐标原点,射线 分别为 轴的正半轴,建立空间直角坐标系 。
由题意可知各顶点及中点坐标为:
因为 是 的中点,所以 。 因为 是 的中点,根据中点坐标公式:
(1) 证明: 为 与 的公垂线
写出相关向量的坐标表示:
计算向量的数量积:
由此可得:
因为 与 、 均相交,所以 为 与 的公垂线。
(2) 求点 到面 的距离
设平面 的一个法向量为 。 已知:
根据法向量垂直于平面内的任意向量:
令 ,则解得 。 所以平面 的一个法向量为 。
选择平面内的点 ,则向量 。 点 到平面 的距离 为 在法向量 方向上投影的绝对值:
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间直角坐标系的建立,向量数量积判定垂直,点到平面距离的向量公式 。
- 核心方法:空间向量法(代数化大题解法)。通过规范建系,避开复杂的传统空间几何辅助线寻找过程。
- 避坑指南:
证明公垂线时,仅证明 垂直于两条直线是不够的,必须确保点 和 确实落在对应的直线上(本题通过中点及顶点坐标已天然保障相交)。
求法向量解方程组 时,赋值要细心,若令 ,则 ,,注意正负号不要弄错。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题属于典型的立体几何常规综合大题,源于教材中关于“正多棱柱空间度量与垂直关系”的探究课题。
- 结论推广: 对于底面边长为 ,高为 的正四棱柱,按相同方式构造点 ,则平面 的法向量通式为 。此类问题均可套用此建系模型求解。
🔗【关联脉络】
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