本题导读
本题考查三棱锥的体积公式、空间异面直线的公垂线,用到割补法、转化等积法。
📌【题干】
Question
(1987年全国卷(理)) 如图,三棱锥 中,已知 ,, 的公垂线 .求证:三棱锥 的体积 .
🔍【思路分析】
破题导航
- 条件给出一对垂直异面直线 与 ,长度都是 ,公垂线 ,垂足 ,。
- 直接以 为底求高比较困难。由于 同时垂直于 与 ,可考虑用包含 和 的截面 分割。
- 三棱锥 被截面 分成两部分:三棱锥 和三棱锥 。
- 求出公共底面 的面积,两部分的高之和等于 ,相加即得体积。
✅【答案】
Success
证明见解析
✍【详细解析】
Abstract
证明:
因为 是异面直线 与 的公垂线,,, 所以:
连接 、,作截面 ,把三棱锥 分成两个以 为公共底面的三棱锥:
- 三棱锥 ;
- 三棱锥 。
所以:
求公共底面 的面积: 在 中,以 为底,由 ① 知 ,所以 是 边上的高。
确定两个三棱锥的高: 已知 ,又 ,而 与 是平面 内两条相交直线(交点为 ),由线面垂直判定定理:
因此:
- 三棱锥 以 为底时,高为 ;
- 三棱锥 以 为底时,高为 。
代入体积公式:
代入 ②:
因为 在线段 上:
代入 ⑦:
证毕。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:异面直线公垂线的性质、线面垂直的判定定理、三棱锥体积分割(割补法)与等积转化。
- 核心方法:割补法、转化等积法。
- 避坑指南:
- 不要硬找顶点到底面的高:若想直接求顶点 到底面 的高,因缺少角度和对称条件,计算复杂。看到“公垂线”和“异面垂直”,应想到用公垂线所在的截面分割。
- 证明中要写清 的条件: 且 ,且 ,漏写会扣分。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题为 1987 年全国高考理科卷第 17 题,考查三棱锥的体积与割补法。
- 结论推广:对任意四面体,若一对相对棱的长分别为 、,夹角为 ,公垂线段长为 ,则体积 本题 ,,,代入得 。
🔗【关联脉络】
Multi column
