§9.2 直线和直线的位置关系预备知识∙平面中直线平行关系的传递性∙平面中两条直线的位置关系重点∙异面直线的概念及其判定∙异面直线所成的角难点∙异面直线的判定∙异面直线所成的角学习要求∙了解直线的位置关系,空间平行直线关系的传递性∙会求异面直线所成的角点是立体几何中最基本的元素,由点构成的集合中,线当然又是比较简单的一种,其中直线又是线中最简单的.在这一节将要学习的,就是有关空间直线方面的知识.1. 两条空间直线的位置关系平面上两条直线的位置关系只有两种:相交或平行.在空间中的两条直线是否也是如此呢?你可以观察一下教室四周,把天花板、地面与墙的交线及墙面与墙面的交线视为直线的一段,你可以找到彼此平行的直线,也可以找到相交的直线,但还能发现有一些直线,例如天花板上南北走向的交线,与地面上东西走向的交线,它们既不平行,但也不相交.把教室简化成一个长方体ABCD -A 'B 'C 'D ',把长方体的棱视为直线的一段,那么从图9-22上你可以发现更多这种位置关系的直线,例如BC 与 AA '、AD 与D 'C ',还有对角线B 'D '与AC 等等. 这些直线对的公共特征是它们不可能同在一个平面 内.这样,空间中的直线位置关系又多了一个:既不相交、又不平行.我们把两条既不相交、又不平行的直线,称为异面直线,也可以说,把两条不可能同在一平面上的直线称为异面直线.因此,空间中两条直线位置关系(除了重合)有三种: (1)平行直线——没有公共点 (2)相交直线——只有一个公共点(3)异面直线——既不相交也不平行(不可能在同一个平面上) 在画异面直线时,要像图9-23那样,把两条直线 明显地画在不同的平面内,这样就容易体现出 “异面” 的特点. 课内练习11. 找出日常生活中异面直线的几个例子.2. 画出图9-22中各面上的对角线,找出不少于5对异面直线来.3. 两条直线分别在两个平面内,它们是否一定异面直线?4. 能否把没有公共点的两条直线称为平行线?2. 空间的平行直线如何判定空间两条直线平行?在平面几何中有不少判定方法,到了空间情况,有些可以继续成立,有些则不再成立了.例如在平面上垂直于同一条直线的两条直线必定平行,在空间情况就未必.在 教室里就可以找到具体例子:天花板上东西走向、 地面上南北走向的墙角线,都垂直于墙面交线,但 它们并不平行,从图上来看,图9-24上长方体的棱 AB ,AD 、对角线AC 所在的直线,都垂直于棱AA 'l 1 图9-23l αA B CD图9-22A 'B 'C 'D ' (必定同在一个平面上)AB CD图9-24A 'B 'C 'D '所在的直线,但它们却是不平行的(有交点A ).平面几何中的平行传递性法则——平行于同一条直线的两条直线互相平行,在空间情况仍然是正确的.例如图9-24中,因为ABB 'A ',BCC 'B '都是矩形,AA '||BB ', CC '||BB ',所以CC '||AA '.此外从空间的特点出发,在后文中还将介绍一些具有空间特点的平行线判定方法,是平面几何中所没有的.例 1 已知E ,F ,G ,H 分别是空间任意四边形ABCD 四条边AB ,BC ,CD ,DA 的中点,求证四边形EFGH 是平行四边形(见图9-25). 证明: 连结AC ,BD .因为E ,F 分别是∆ABC 的AB ,BC 边上的中点,所以 AC EF 21=; 同理 AC HG 21=, 得 HG EF =, 即 EF //HG .所以四边形EFGH 是平行四边形 ▌ 课内练习21. 把一张长方形的纸对折两次然后打开,观察折痕是否平行,为什么?2. 画两个相交平面,在这两个平面内各画一条直线, 使它们成为平行直线.3. 如图,在长方体中,AE =A 1E 1, AF =A 1F 1,求证: EF E 1F 1.3. 异面直线所成的角在平面几何中讲到角,总是有一个顶点,然后从这个顶点引两条作为始边、终边的半直线.空间异面直线是不相交的,怎么形成角呢?其实并不奇怪,在生活中即使两条直线不相交,我们也会谈到它们之间的角的.例如把图9-24中的长方体看作教室,你会接受这么一种说法:墙边线AA '与墙角线BC 是垂直的,但是这两条直线却是异面直线.你的认可来自于下面的做法:平移BC 使与AD 重合,而AD 与AA '是垂直的.异面直线之间的夹角,正是这样来定义的.如图9-26(1),设l ,m 是两条异 面直线,在空间任取一点P ,过P 作l '||l ,m '||m ,l ',m '在同一个平面上,把 l ',m '所成的(不大于90︒)角,称为异 面直线l ,m 所成的角(或l ,m 的夹角), 采用平面情况的记法,记作l ^m .为了简便起见,点P 常取在两异面直线中的一条上.例如取在直线l 上,然后经过点P 作直线m '||m (见图9-26(2)),那么m ', l 所成的角就是异面直线图9-25= ||A EFF 1A 1 E 1第3题图 图9-26(1)∙m ' l 'Pl,m所成的角.如果两条异面直线l,m所成的角是直角,那么我们就说两条直线互相垂直,记作l⊥m它们所成的角为0︒角.例2图9-27表示一个正方体.(1)哪些棱所在直线与AB'所在的直线是异面直线?(2)求直线AB'和CC'的夹角的度数;(3)哪些棱所在直线与直线AA'垂直?解(1)与直线AB'成异面直线的有直线BC,A'D',CC',DD',DC和D'C'▌(2)由BB'||CC',可知∠BB'A'=AB'^CC',而ABB'A'是正方形,所以∠BB'A'=45︒,所以AB'^CC'=45︒▌(3)直线AB,BC,CD,DA,A'B',B'C',C'D',D'A'都与直线AA'垂直▌例3图9-28中ABCD- A'B'C'D'为一正方体,试证明对角线DB'和对角线A'C'垂直.证明因为BD'=+BB',CA''^BB=CA''^AA=90︒,CA'^=CA'^BD''=90︒(正方形A'B'C'D'的对角线互相垂直),所以CA'⋅BD'=CA'⋅(+BB');=CA''⋅DB+CA''⋅BB=0,所以CA'^BD'=90︒,即DB'⊥A'C'▌课内练习31. 在下列各图中,分别以O为顶点,画出异面直线l,m所成的角.2. 设l,m,n为三条空间直线,其中l||m, l⊥n,则m,n的关系如何?3. 设l,m,n为三条空间直线,且l ^ m = n ^m=45︒,能否得出l|| n的结论?你能举出反例吗?4. 证明图9-28的正方体ABCD- A'B'C'D'中,对角线D'B和对角线A'C'互相垂直.下面举一个你不容易一眼就看得出的例子.例4已知在图9-29所示的空间四边形OABC中,OB为其一条对角线,OB=OC,∠AOB=∠AOC,求证OA⊥BC.证明记θ=∠AOB=∠AOC,图9-27A BCDA'B'C'D'图9-28A BCDA'B'C'D'第1题图图9-26(2)OA ⋅BC =OA ⋅(OB OC -) =⋅OC -⋅OB=||||⋅⋅cos θ-||||⋅⋅=OA (OC -OB )cos θ, 因为 OB =OC , 所以 ⋅=0, 所以 OA ⊥BC ▌ 课内练习41.已知在空间四边形OABC ,AC 为其一条对角线,若BC =AC ,OB =OA , 求证OC ⊥AB (见图9-29).4* 异面直线的距离在平面几何里有平行直线之间的距离,异面直线之间的距离是指什么呢?你还是可以先观察一下教室四周,把教室抽象 成图9-30那样的长方体,墙面交线和墙脚线相当于 棱,问你墙面交线AA '到墙脚线BC 的距离是多少? 你会毫不犹豫地回答是墙脚线AB 的长度.AA ',BC 所在的直线是异面直线,AB 所在直线有什么特点呢? 原来和它们都垂直相交.因此在生活实际中,我们是 以同时与两条异面直线垂直相交的直线,在交点间线段的长度来衡量异面直线之间的距离的.和两条异面直线都垂直相交的直线,称为两条异面直线的公垂线.两条异面直线的公垂线夹在异面直线间的部分,也就 是以交点为端点的线段,称为这两条异面直线的 公垂线段;公垂线段的长度,称为两条异面直线 的距离.如图9-31,异面直线l , m 的公垂线是AB 所在的直线,公垂线段是AB ,它的长度就是l , m 之间的距离.你也可以从图上看到,画一些辅助平面或辅助直线,有助于直观地表示公垂线段.两条异面直线的公垂线段的长,是连结两条异面直线上任意两点的线段中最短的一条.在一定条件下,两条异面直线之间的距离的是可以有计算公式的. 例5 已知异面直线l , l 1的公垂线段 为AB ,AC =s , BD =t , CD =h ,且l ^l 1=θ, 求l , l 1间的距离d (见图9-32). 解 据题意,即求AB 长. 因为 BD AB CA CD ++=,所以 ||2=(++)⋅(++)A BCDA 'B 'C 'D ' 图9-30m α图9-31lAB图9-29图9-32=|CA |2+||2+||2+2⋅+2⋅+2⋅;因为 ⊥⊥ ,,l ^l 1=^=θ, ^=π-θ所以 ||2=|CA |2+|AB |2+|BD |2-2|CA |⋅|BD |cos θ即 h 2=s 2+d 2+t 2-2st cos θ,d 2=h 2-s 2-t 2+2st cos θ. 所以θcos 2222st t s h d +--= ▌ 课内练习51. 设例3中正方体的边长为a ,求对角线DB '和对 角线A 'C '所在的异面直线的距离.(提示:右图 是图9-26的重画,A 'C '和DB '所在的异面直线 的公垂线段是图上的O 'P ,其中O '为正方形的 上顶面A 'B 'C 'D '的中心)课外习题 A 组1. 在一块长方体木块A 1C 1面上有一点P ,过点P 画两 条直线,分别和棱BC ,CD 平行,说明应该怎样画.2. 判断题:(1)过空间直线l 外一点,能且仅能作一条直线于l 垂直 ( )(2)若m,n 为异面直线,n,l 也是异面直线,则m,l 也是异面直线 ( ) 3. 空间四边形ABCD 中,E ,F ,G ,H 分别是边AB ,BCCD ,DA 的中点,(1)若AC =BD ,求证四边形EFGH 是菱形; (2)若AC ⊥BD ,求证四边形EFGH 是矩形. 4. 在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,P ,Q 分别是A 1B 1, B 1C 1的中点,画出并求(1)PQ 和C 1C 所成的角;(2)PQ 和BD 所成的角; (3)BP 和CQ 所成的角.5*. ABCD 为一空间四边形,BD 为对角线.已知 AD ⊥CD , BD ⊥CD , BD ⊥AD ,(1)P 为BD 上任意一点,证明AP ⊥CD ;(2)若∠APD =30︒, AD =4,求AP 与CD 之间的距离.B 组 1. 如图,在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,E ,F 分 别是BB 1,D 1B 1的中点,求证EF ⊥DA 1.第1题图 A 'ABC D ·PB 1C 1A D 1(第1题图) A 1A 第4题图 CA BDP ∙第5题图A BC DEFA 1B 1C 1D 12. 已知E,F,G,H分别是空间四边形ABCD的边AB,BC,CD,DA的中点.(1)求证:AC⊥BD;(2)若AC=2, BD=4,求EG2+HF2的值.3. 已知空间四边形ABCD各边的长相等,AC 且BD为其两条对角线,AC=BD=AB,E,F 分别是BC,AD的中点,(1)证明A C⊥BD;(2)AE和CF所成角的余弦值.ABDCEF(第3题图)。