本题导读

本题是一道结合公垂线背景的立体几何大题。第一问要求利用线面垂直的性质完成线线垂直的证明;第二问可以通过建立空间直角坐标系,利用法向量定量求解线面角的正弦值,再转换为余弦值。

📌【题干】

Question

(2006年全国卷I(理)) 如图, 是互相垂直的异面直线, 是它们的公垂线段. 点 在 上, 在 上, .

(1) 证明: ;

(2) 若 ,求 与平面 所成角的余弦值.

🔍【思路分析】

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第一问:由公垂线定义知 ,且 。可建立以 为原点, 分别为 轴,过 且平行于 的直线为 轴的空间直角坐标系,写出各向量坐标,通过数量积为 0 证明垂直。 第二问:设 ,则 坐标确定,设 。由 利用向量夹角公式 求出 的值。接着求出平面 的法向量 ,计算 得到线面角的正弦值,最后利用平方关系化为余弦值。

✅【答案】

Success

因此cos θ= √1 −\dfrac{1}{3} =√63

✍【详细解析】

Abstract

(1) 证明:因为 是互相垂直的异面直线 的公垂线段,所以 ,且 。 以 为原点,射线 的方向为 轴正方向,射线 的方向为 轴正方向,过 且平行于 的直线为 轴,建立空间直角坐标系 。

设 。则有关各点的坐标分别为: 因为 ,且 轴且过点 ,故可设 ,其中 。

写出相关向量的坐标:

计算两向量的数量积: 因为 ,所以 ,即 。

(2) 解:由 (1) 可知: 则:

因为已知 ,根据向量夹角公式: 解得: 不妨取 ,则 。 此时: , 。

设平面 的一个法向量为 ,则: 令 ,得 ,其模长为 。

已知 ,其模长为 。 设直线 与平面 所成的角为 ,则:

根据同角三角函数平方和关系,直线 与平面 所成角的余弦值为:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:公垂线构造空间坐标系、向量数量积证明线线垂直、线面角的向量求法。
  • 核心方法:空间直角坐标系法。
  • 避坑指南:
  • 第二问利用夹角公式求 时,注意分母是两个模长相乘,由对称性可知 ,可以直接开方合并。
  • 最终求的是线面角的余弦值。用向量法 算出来的是线面角的正弦值 ,必须通过 进行二次转化。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源: 本题是立体几何中关于异面直线距离(公垂线)和线面角考查的经典压轴大题,旨在考查利用空间坐标系将纯几何语言高度代数化的运算能力。 结论推广: 设 为异面直线 的公垂线,当两直线互相垂直且点满足对称比例关系时,空间构型具有极强的单调坐标投影特征,所有线线夹角和线面夹角完全由点在线上的截距参数决定。

🔗【关联脉络】

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