3.通过解综合题提高学生解综合题的能力.

教学重点和难点

教学的重点是进一步掌握三垂线定理及其逆定理,并能灵活的应用它们来解有关的题.教学的难点是在空间图形中有许多平面时,如何选好“基准平面”和“第一垂线”.

教学设计过程

师:上一节我们应用三垂线定理及其逆定理讲了四个例题.其中大多是基本题.今天我们一方面要在应用这些基本题的基础上解有关的综合题;另外我们再来解其它的综合题来提高我们的解综合题的能力.现在看例1.

例1  如图1,已知:PA⊥PB,PA⊥PC,PB⊥PC,求证:

△ABC是锐角三角形.

师:这一题证法很多,所以我们要多想几种证法.

所以  ∠BAC是锐角.

同理可证∠ABC,∠ACB都是锐角.

师:我们能不能直接用三垂线定理来证?

生:由已知可得PA⊥平面PBC.在直角三角形PBC中,作PD⊥BC于D,因为∠PBC,∠PCB都是锐角,所以垂足D一定在斜边BC内部,连PD,则PD⊥BC(三垂线定理).对于△ABC来说,因垂足D在BC边内部,所以∠ABC,∠ACB都是锐角,同理可证∠BAC也是锐角.

师:能不能用公式cosθ1·cosθ2=cosθ来证明△ABC为锐角三角形?

生:因AP⊥平面PBC,所以∠ABP是线面角,相当于θ1,∠PBC相当于θ2,因θ1,θ2都是锐角.所以cosθ1>0,cosθ2>0,cosθ=cosθ1·cosθ2>0,所以θ为锐角。即∠ABC是锐角,同理可证∠BAC,∠ACB都是锐角.

师:我们用了三种方法来证明△ABC是锐角三角形,现在我们换一个角度来研究这个基本图形另外一个性质.看例2.

例2  如图2,已知:PA⊥PB,PA⊥PC,PB⊥PC.PH⊥平面ABC于H.求证:H点是△ABC的垂心.

师:垂心是三角形三边垂线(高线)的交点,要证H是△ABC的垂心,只要证AH⊥BC即可.

生:因为  PA⊥BP,

PA⊥CP,

所以  PA⊥平面PBC.

故  PA⊥BC.

对于平面ABC来说,PH是垂线,

PA是斜线,AH是PA在平面ABC内的射线.

因为  PA⊥BC,所以  AH⊥BC.

同理可证BH⊥AC,CH⊥AB.

故H是△ABC的垂心.

师:由例2的演变可得例3,现在我们来看例3.

例3  如图3,△ABC中,∠BAC是锐角,PA⊥平面ABC于A,AO⊥平面PBC于O.求证:O不可能是△PBC的垂心.

师:要证明O不可能是△PBC的垂心,用什么方法?

生:用反证法.

师:为什么想到用反证法?

生:因为直接证不好证.

师:对,因为直接来证不好利用条件,而用反证法,假设O是△PBC的垂心,则这样证明的思路就“活了”,就可利用已知条件,现在我们用反证法来证明.

生:假设O是△PBC的垂心,则BO⊥PC.

对平面PBC来说,AO是垂线,AB是斜线,BO是AB在平面PBC内的射影.

因为  BO⊥PC,所以  AB⊥PC.

又因为  PA⊥平面ABC,PA⊥AB,

所以AB⊥平面PAC,AB⊥AC,∠BAC是直角,与已知∠BAC是锐角相矛盾.所以假设不能成立,所以O不可能是△PBC的垂心.

师:分析例3我们可以看出例3是由例2演变而来.也就是说在PA⊥AB,PA⊥ACO是△PBC的垂心条件下一定可以推导出AB⊥AC.是例2的逆命题再加以演变而得.现在我们来看例4.

例4  如图4,已知:∠AOB在平面α内,∠AOB=60°,PO是平面α的一条斜线段,∠POA=∠POB=45°,PP′⊥平面α于P′,且PP′=3.求:

(1)PO与平面α所成的角的正弦;

(2)PO的长.

师:我们如何利用上节课所讲的两个基本题来解这题.

生:因∠POA=∠POB,所以OP′是∠AOB的平分线,∠POP′相当于θ1,θ2=30°,θ=45°,由cosθ1·cos30°=cos

师:在我们脑中如果“储存”许多基本题,那么在我们解有关综合题时,就能“得心应手”.所以在平时我们一定要注意对基本题的理解、掌握,解这题的思路就是一个典型.下面我们来看例5.

(1)直线MN是异面直线A1B和B1D1的公垂线;

(2)若这个正方体的棱长为a,求异面直线A1B和B1D1的距离.

师:我们是在讲三垂线定理及其逆定理应用时讲这个例题的.所以我们想法用三垂线定理或它的逆定理来证明这一题.要用三垂线定理首先要确定对于哪一个平面来用三垂线定理.

生:对于平面A1B1C1D1来用三垂线定理.

师:这时MN是平面A1B1C1D1的斜线,我们如何作平面A1B1C1D1的垂线呢?

生:作MP⊥A1B1于P,又因为D1A1⊥平面A1ABB1,所以A1D1⊥PM,故PM⊥平面A1B1C1D1.

师:对于平面A1B1C1D1来说,MP是垂线,MN是斜线,NP是MN在平面A1B1C1D1上的射影.我们要证MN⊥B1D1,只要证PN⊥B1D1即可.在正方形A1B1C1D1中,我们知道A1C1⊥B1D1,所以现在只要证PN∥A1Q1即可.我们如何利用已知条件来证PN∥A1O1.

=O1N∶NB1,所以PN∥A1O1,所以PN⊥B1D1,故MN⊥B1D1.同理可证MN⊥A1B,所以MN是异面直线A1B和B1D1的公垂线.

师:已知正方体的棱长为a,在直角三角形MNP中,如何求出MN的长?

师:这是一道很好、很典型的题,它很巧妙、很直接地求出异面直线A1B,B1D1的公垂线及这两异面直线的距离.这一道题我们的先人们是如何想出来的?这一问题我们利用课外活动时间来进行探索.

今天就讲这五个例题,讲这五个例题的目的一是进一步应用三垂线定理及其逆定理,二是应用上节课刚讲过的基本题来解较综合的题.

作业

补充题

9.(1)如图甲,连结BD、AC、AD.

AB⊥BC

AB⊥平面BCD
 
AB⊥CD

 
 
平面ABD经过AB
平面ABD⊥平面BCD,平面ABC⊥平面BCD.
 
 
平面ABC经过AB

 根据三垂线定理,得CD⊥AC.又CD⊥BC,∴CD⊥平面ABC,∴平面ABC⊥平面ACD.因此有三个直二面角A-BD-C,A-BC-D,D-AC-B.


第9题(甲)

 对于(2),首先应找出对应角,再考虑范围或余弦值.  (2)AB⊥平面BCD,∴AD与平面BCD所成的角∠ADB=α,CD⊥平面ABC,AD与平面ABC所成的角∠DAC=β.  由最小角定理(斜线和平面所成的角,是这条斜线和平面内经过斜足的直线所成的一切角中最小的角)知α<∠ADC,所以  0°<α+β<∠ADC+β=90°.?  过B作BE⊥AD,垂足为E,过B作BF⊥AC,垂足为F(参见图乙),可证CD⊥BF,AC⊥BF,?∴BF⊥平面ACD.又BE⊥AD,?根据三垂线定理可得AD⊥EF,


第9题(乙)

 ∴∠BEF是二面角B-AD-C的平面角.  ?cos∠BEF=(EF/BE)  =(AEtgβ)/[AEtg(90°-α)]=tgαtgβ.  对于第(3)问,得首先建立目标函数,再求最大值.  (3)AD=a,AB=Asinα,BD=Acosα,CD=Asinβ.  V=(1/3)S△BCD·AB=(1/3)·(1/2)BC·CD·AB  =(1/6)·CD·AB  =(a3/6)·sinβsinα·.  V2=(a6/36)(cos2α-sin2β)sin2βsin2α  ≤(a6/36)·{[(cos2α-sin2β)+sin2β+sin2α]/3}3  =(a6/36)·(1/27)·(18/a3).  ∴Vmax2=(/54)a3.  此时sin2α=sin2β=cos2α-sin2β,即  2sin2α=cos2α,∴tg2α=(1/2),即tgα=(/2),此时α=β=arctg(/2).  10.(1)因截面A1ECF的四边相等,且都为(/2)a,故截面是菱形.


第10题

 又∵ ∠B1A1E=∠B1A1F,  ∴ A1B1在截面内的射影是∠EA1F的平分线A1C.  故∠B1A1C即为A1B1与截面所成的角.  连结B1C,则A1B1⊥B1C,  ∴ tg∠B1A1C=(B1C1/A1B1)=(a/a)=,  ∴ ∠B1A1C=arctg.  (2)连结BC1,则BC1∥EF,故BC1的中点O到截面A1ECF的距离即为点B到截面A1ECF的距离.  ∵ 面A1B1C⊥面A1ECF,在面A1B1C内过O作OH⊥A1C,垂足为H,则OH⊥平面A1ECF,∴ OH的长为所求点B到截面A1ECF的距离.  ∵ Rt△OHC∽Rt△A1B1C,  ∴ (OH/A1B1)=(OC/A1C),  即OH=(A1B1·OC/A1C)=(a·(/2)a/a)=(/6)a.  (3)取AG=(1/4)AD,连结GF,  ∵ (AG/AF)=(FB/BC)=(1/2),  ∴ Rt△GAF∽Rt△FBC.  ∴ ∠GFA=∠FCB.从而∠GFA与∠CFB互余.  ∴ ∠GFC=90°,即GF⊥FC.  设A1G1=(1/4)A1D1,A1F1=(1/2)A1B1,连结G1F1交A1E于I.  ∵ A1E∥FC,G1F1∥GF,  ∴ G1F1⊥A1E,连结FI,F1I为FI在底面A1B1C1D1上的射影.故∠FIF1为所求二面角的平面角,记为θ.  G1F1=(/4)a,F1I=(F1A12/GF1)=(/5)a,  ∴ tgθ=.  即所求二面角的大小为θ=arctg.     ?§?5 立体几何的综合问题  1.B;2.D;3.B;4.D;?5.(3aV)/(2S1S2);6.576πcm2;7.45°.  8.由于煤质相同,则同样体积的两种蜂窝煤有同样的热量.  设大蜂窝煤的半径为R,高为H;小蜂窝煤的半径为r,高为h.则R=2r,H=(4/3)h.  一块大蜂窝煤的体积为πR2H,用V大表示;一块小蜂窝煤的体积为πr2h,用V小表示.所以  V大=πR2H=π(2r)2·(4/3)h   =(16/3)·πr2h=(16/3)V小,  即V大∶V小=16∶3.  由上述数据,我们可以作出多种设计,如图所示,就是较为简单的两种炉膛设计.


第8题

 这两种炉膛内所放蜂窝煤的体积相同,能释放出同样的热量.  但是,两种炉膛内的燃烧表面积不相同,燃烧表面积大的释放热量快,火焰猛.  若不考虑蜂窝煤中间的小孔,其燃烧的表面积应该是两端底面积(煤球之间重叠不计),加上各个侧面之和,所以  S大=2πR2+3×2πRH=2π(2r)2+3×2π×2r×(4/3)h=8πr2+16πrh,  S小=2·4πr2+4·4·2πrh=8πr2+32πrh,  S小-S大=16πrh>0.  因此,小蜂窝煤在同样的体积下,燃烧的表面积大,释放热量快,即火旺些,用煤多;而用大蜂窝煤的炉灶火小些,节省煤.  9.(略).  10.(1)∵A1A⊥底面ABC,∴A1A⊥BC.  又BC⊥AC,∴BC⊥平面ACA1.  又BC平面BCB1.∴平面ACA1⊥平面BCB1.  (2)易知∠BAC为二面角B-AA1-C的平面角.设∠BAC=θ,圆柱的底面半径为R,则  VA1-ABC=(1/3)S△ABC·A1A  =(1/3)·(1/2)AB·ACsinθ·A1A  =(1/3)·(1/2)·2R·2Rcosθsinθ·A1A  =(1/3)R2sin2θ·A1A,  V圆柱=πR2·A1A.  由题设得[(1/3)R2sin2θ·A1A]/[πR2·A1A]=(1/2π).  ∴sin2θ=(/2),故θ=30°或60°.  (3)作AD⊥A1C,垂足为D;再作DE⊥A1B,垂足为E.连结AE,易证∠AED就是二面角A-A1B-C的平面角,即∠AED=α.  ∵sinα=(AD/AE),cosβ=(AC/AB),cosγ=(A1C)/(A1B),  ∴?cosβ=sinαcosγ(AC/AB)=(AD/AE)·(A1C/A1B).   ①  在Rt△A1AC和Rt△A1AB中,由面积关系,得  AD=(AC·A1A)/A1C,AE=(AB·A1A)/A1B.  ∴(AD/AE)=(AC/A1C)·(A1B/AB)=(A1B/A1C)·(AC/AB).  ∴①(AC/AB)=(A1B/A1C)·(AC/AB)·(A1C/A1B).   ②  ②式显然成立,从而①式成立,故  cosβ=sinαcosγ成立.   专题能力测试  一、1.C;2.A;3.B;4.A;5.C;6.B;7.D;8.C;9.A;10.D;11.D;12.C.  二、13.2π?;14.2;15.6;16.10-20.  三、17.∵E是半圆周上一点,   ∴CE⊥DE.

又平面DEC⊥平面ABCD
AD⊥平面DEC,且CE平面DEC,∴CE⊥平面ADE.
AD⊥DC
 0  252303  252311  252317  252321  252327  252329  252333  252339  252341  252347  252353  252357  252359  252363  252369  252371  252377  252381  252383  252387  252389  252393  252395  252397  252398  252399  252401  252402  252403  252405  252407  252411  252413  252417  252419  252423  252429  252431  252437  252441  252443  252447  252453  252459  252461  252467  252471  252473  252479  252483  252489  252497  447090 

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