高中数学 第二章 空间向量与立体几何 2_6 距离的计算 空间距离的常见题型与解法素材 北师大版
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空间距离的常见题型与解法 在立体几何中涉及到的距离有六种,即点与点,点到线,点到面,线与线,线与面,面与面;但归结起来都是求点与点,点到线,点到面这三种距离。 一、传统方法求空间距离 求距离的传统方法和步骤是:一作,二证,三计算;即先作出表示距离的线段,再证明它就是所要求的距离,然后再计算。其中第二步的证明容易被忽视,应引起重视。求空间距离常见的题型和方法有 1.运用三垂线定理及逆定理求点到直线的距离 【例如】平面内有Rt△PACBABC,90,是平面外一点,且PPCPBPA,到平面的距离是40cmACcm18,,求点P到BC的距离。
解:如图所示,∵PCPBPA,作PO平面ABC于O,则COBOAO,∴O是△ABC的外心,又∵90ACB,∴O点落在AB边的中点上,作BCOD于D,由三垂线定理知BCPD,∴PD就是点P到BC的距离。又OD∥AC且
ACOD21,∴cmOD9,在Rt△POD中,
cmODPOPD4122,所以点P到BC的距离为cm41。
2.运用两平面垂直的性质定理,求作点到面的距离 【例如】如右图所示,二面角MN等于60,平面内一点A到平面的距离AB的长为4,求B点到平面的距离。 解:作MNAC于C,连结BC,则MNBC,∴∠ACB
为二面角MN的平面角,则∠ACB60,∵MN平面ABC,∴平面ABC平面,作ACBD于D,则BDBD,
的长为所求,在Rt△ADB中,斜边306090,4BADAB
,所以2BD,即B点到平面的距离为2。
3.体积法求点到平面的距离 【例如】如图所示,P为△ABC外一点,PCPBPA,,两两
A P B C O
D
A M N D
C B
A B
C
D 互相垂直,aPCPBPA,求P到平面ABC的距离。 解:由PBCAABCPVV得:2213131aaShABC,
∴aaah332432123,因此点P到平面ABC的距离为a33。 4.解答求距离的问题,注意距离之间的相互转化,有时能取到意想不到的效果 【例如】已知如图所示,边长为a的菱形ABCD中,PCABC,60平面ABCD,E是PA的中点,求点E到平面PBC的距离。
【分析】若直接过E作平面PBC的垂线,垂足难以确定,故考虑用间接求法,至少有以下两条途径: 解法一:注意到点E在PA上,可将E到平面PBC的距离转化为A到平面PBC的距离的一半。由PC平面ABCD,有平面PBC平面ABCD,故过A在平面
ABCD内作BCAH交BC于H,则aAH23,
于是,所求距离为a43。 解法二:将E到平面PBC的距离转化为线面距离,再转化为点面距离,连结BDAC,,设AC与BD交于点O,则EO∥平面PBC,于是直线OE上任意一点到平面PBC的距离都相等,由PC平面ABCD,有平面PBC平面ABCD。若过O作OG平面PBC,则垂足必定在BC上,故线段OG即为所求。
∵aABBCACABCACB,60,∴aOCOGaOC4360sin,21
∴O到平面PBC的距离为a43,即E到平面PBC的距离为a43。 二、向量法求空间距离问题 1.求两点间的距离
A B C H G
o D
P E 方法1(向量运算法):利用公式2a=aa=2a求解。 方法2(向量坐标法):若P1(x1,y1,z1),P2 (x2,y2,z2)是空间任意两点,则
21PP=221221221)()()(zzyyxx。
例1. 如图1,已知矩形ABCD,AB=4,BC=3,沿对角线AC把矩形ABCD折成300的二面角,
求B、D两点间的距离 。 图1 解法1:设B、D在AC上的射影分别为E、F,则 BE⊥AC,DF⊥AC。∵AC=22BCAB=5,∴BE=DF=512ACDCAD,∴CE=AF=5922DFAD,∴EF=AC-2AF=57,又= 1500,BDBDBD2=EFBE(FD)2=2BE2EF2FD+2(BEEFEFFD
BEFD)=2512+257+2512+2150cos512512=253144337,∴BD=
53144337.
解法2:设B、D在AC上的射影分别为E、F,则BE⊥AC,DF⊥AC.由解法1可知BE=DF=512ACDCAD,EF=57,过F在面ABC内作FG⊥AC。以F为原点,直线FG、FC分别
为x轴、y轴建立空间直角坐标系F-xyz(如图1),则B(0,57,512),D(56,0,536),∴ BD= 22256)57()5
3612(
=53144337.
2、求点到直线的距离 设P是直线l外一点,Q是直线l上任意一点,若n是直线l的一个与点P和直线l所确定的平面平行的法向量(与直线垂直的向量),则向量PQ在法向量n方向上的射影长d=PQnPQ,cos=nnPQ就是点P到直线l距离. 例2 已知四边形ABCD是边长为4的正方形,E、F分别是AB和AD的中点,GC⊥平面ABCD,且GC=2,求点B到直线FG的距离。
解:建立如图2所示的空间直角坐标系C-xyz,则G(0,0,2), E(-2,-4,0),F(-4, -2,0),B(0,-4,0), ∴BG=(0, 4, 2), BF=(-4, 2,0),FG=(4,2,2).设n=(x,y,z)是直线FG的一个与平面BFG平行的法
向量,则由n⊥FG,得nFG=0,即2x+y+z=0①,又设m=(m,n,l) 是平面BFG的法向量,
则由m⊥BF及m⊥BG,得{00BFmBGm,即 {024024nmln ,解之得{2
1
2nmnl,取n=2, 得m=(1,2,-4).
由n⊥m,得nm=0,即x+2y-4z=0②, 由①②,得{23zxzy,取z=1, 得n=(-2,3,1). 点B到直线FG的距离为d=BGnBG,cos=nnBG=1414 =14。 3.求直线到与它平行的平面的距离 设直线l与平面平行,n是平面的法向量,P是直线L上任意一点,Q是平面内任意一点,则向量PQ在平面法向量n方向上的射影长就是直线l到平面的距离,即
d=PQnPQ,cos=nnPQ。 例3:如图3,在正三棱柱ABC---A1B1C1中,AB=8,AA1=6,D为AC的中点,求直线AB1
到平面C1BD的距离。
解:连结B1C交BC1于O,则O为B1C的中点,连结OD,则OD∥AB1,∴AB1∥平面BC1D.取A1C1的中点D1,则D1D⊥面ABC,又由正三角形性质知BD⊥AC.以D为原点,直线DB、DC、DD1分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系D-xyz,则B34(、0、0、)、C1(0,4,6),A(0,-4,0),∴DB=34(、0、0、)1DC=(0、4、6、),DA= (0,-4,0),设),,(zyxn为平面BC1D的法向量,则由0DBn及01DCn,得x=0且
4y+6z=0,∴x=0,y=z23,取z=2,得)2,3,0(n.d=nnDA=1313121312
4、求点到平面的距离 设n是平面的法向量,AO是平面的一条斜线段,O为斜足,则向量OA在平面的法向量n方向上的射影长d=OAnOA,cos=nnOA就是点A到平面的距离。 例4.已知A(2,3,1)、B(4,1,2)、C(6,3,7)、D(-5,-4,8)是空间不共面的四点,求点D到平面ABC的距离。 解:设),,(zyxn是平面ABC的一个法向量,则由0ABn及01BCn,得
-2x-2y+z=0 解之得 y=x32 2x+2y+5z=0, z= -x32,取x=3,得)2,2,3(n,于是点D到平面ABC的距离为
d=nnDA=1749=171749. 例5.在例2中,求点B到平面EFG的距离。 解:建立如图2所示的空间直角坐标系C-xyz,则G(0,0,2),E(-2,-4,0),B(0,-4,0),
F(-4, -2,0),∴GE=(-2,-4,-2),GF=(-4,-2,-2),BE=(-2,0,0). 设平面EFG的法向量为),,(zyxn,则由0GEn,及01GFn得 -2x-4y-2z=0 x=y -4x-2y-2z=0,解之得 z= -3y ,取y=1,得)3,1,1(n,于是点B到平面EFG的距离
为d=nnBE=11112112 。 5.求两平行平面间的距离 设∥,n是平面的法向量,P、Q分别是、内任意一点,则向量PQ在平面法
向量n方向上的射影长d=PQnPQ,cos=nnPQ就是、的距离。 例6:已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为a,求平面AB1C与平面A1DC1的距离 解法1:如图4,显然平面AB1C∥平面A1DC1,易证D1B⊥平面AB1C,所以向量1BD是