本题导读

本题考查圆柱的结构特征,以及异面直线间的距离。

📌【题干】

Question

(1989年全国卷(理)) 如图,已知圆柱的底面半径是 3,高是 4,、 两点分别在两底面的圆周上,并且 ,那么直线 与轴 之间的距离等于 .

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 几何投影: 轴 垂直于两底面。过点 作圆柱的母线 交下底面圆周于点 ,连接 。由于母线 ,直线 与 的距离等于轴 到平面 的距离。
  2. 构筑直角三角形: 在 中,已知斜边 ,高(母线长),利用勾股定理求出下底面的弦长 。
  3. 转化平面问题: 直线 与轴 均为空间直线。由于 ,且平面 与轴 平行,轴心 到弦 的垂直距离(即弦心距)就是直线 与轴 之间的距离。在下底面圆 中利用半径、弦长、弦心距组成的直角三角形求解。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

过上底面圆周上的点 作圆柱的母线 交下底面圆周于点 ,连接 和 。

根据圆柱的性质,母线 垂直于下底面,且 。 所以 是以 为直角的直角三角形。 在 中,由勾股定理得下底面弦 的长为:

因为母线 ,所以轴 平行于平面 。 由此可知,直线 与轴 之间的距离,等于下底面圆心 到平面 的距离。 又因为 ,只要过 作 于 ,则 同时垂直于 和 ,即 。 因此,弦心距 即为所求的异面直线 与 之间的距离。

在下底面圆 中, 是长度为 3 的弦,,根据垂径定理, 是 的中点:

连接 ,则 为底面圆的半径 。 在 中,由勾股定理求弦心距 :

答案:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点: 空间异面直线距离的定义,圆柱结构中的线面平行与转化。
  2. 核心方法: * 平移转化法: 通过构建包含一条直线的平面且使该平面与另一条直线平行,将“线线距离”转化为标准的“点面距离”或“平面几何面内点线距离”。
  3. 避坑指南: * 错把 当作距离。必须建立清晰的空间立体透视, 与 的公垂线段在底面的射影是圆心到弦的距离(弦心距),而非弦长本身。
    • 计算粗心。在最后一步勾股定理计算中,注意分母平方后的通分化简。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题属于立体几何中关于旋转体度量考查的传统中档填空题,源于教材中对异面直线距离定义的深化,是将三维空间关系降维至二维平面(底面圆)进行解析的模范样板。
  2. 结论推广: 设圆柱底面半径为 ,高为 ,一跨越两底面的线段长为 。则该直线与圆柱中心主轴之间的异面直线距离 满足通式: 本题代入 ,得 。该通式可秒解所有圆柱内切斜线与轴线的距离问题。

🔗【关联脉络】

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