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3.用法向量定平面——定海神针
在解决立体几何中的“动态”问题时,有关角度计算问题,用法向量定平面,可将线面角或面面角转化为线线角.
例5 在长方体ABCD-A1B1C1D1中,已知二面角A1-BD-A的大小为π/6,若空间有一条直线l与直线CC1所成的角为π/4,则直线l与平面A1BD所成角的取值范围是________.
例6.在正方体ABCD﹣A1B1C1D1中,E,F分别为线段A1B1,AB的中点,O为四棱锥E﹣C1D1DC的外接球的球心,点M,N分别是直线DD1,EF上的动点,记直线OC与MN所成的角为θ,则当θ最小时,tanθ=
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解:如图,设P,Q分别是棱CD和C1D1的中点,则四棱锥E﹣C1D1DC的外接球即三棱柱DFC﹣D1EC1的外接球,∵三棱柱DFC﹣D1EC1是直三棱柱,∴其外接球球心O为上、下底面三角形外心G和H连结的中点,由题意,MN是平面DD1EF内的一条动直线,记直线OC与MN所成角为θ,则θ的最小值是直线OC与平面DD1EF所成角,即问题转化为求直线OC与平面DD1EF所成角的正切值,不妨设正方体ABCD﹣A1B1C1D1中棱长为2,
4.锁定垂面破翻折——独挡一面
在解决立体几何中的“动态”问题时,对于翻折或投影问题,若能抓住相关线或面的垂面,化空间为平面,则容易找到问题的核心.
例7 如图5,在等腰Rt△ABC中,AB⊥AC,BC=2,M为BC的中点,N为AC的中点,D为线段BM上一个动点(异于两端点),△ABD沿AD翻折至B1D⊥DC,点A在平面B1CD上的投影为点O,当点D在线段BM上运动时,以下说法错误的是()
解析:如图6,记B2为B1在平面ADC上的射影,由B1D⊥DC可得B2D⊥DC.记B2D交AB于点K,则DC⊥平面B1B2K.在△B1DC中,作EM∥B1D交B1C于点E,连接AE,则平面AEM∥平面B1B2K,平面AEM⊥平面B1DC,从而点A在平面B1DC上的射影O在直线EM上.取AM的中点H,
5.觅得规律明轨迹——动中有静
在解决立体几何中的“动态”问题时,探寻变化过程中的不变关系,是解决动态问题的常用手段.
例8 如图7,已知线段AB垂直于定圆所在的平面,B,C是⊙O上的两个点,H是点B在AC上的射影,当点C运动时,点H运动的轨迹是()
解析:如图8,设⊙O的半径为r,取BC的中点M,则OM⊥BC,MH=MC.因为AB⊥平面BCD,所以BC是AC在平面BCD上的射影,从而OM⊥平面ABC,得OM⊥MH,于是OH2=MO2+MH2=MO2+MC2=r2,即OH=r,亦即动点H在以O为球心、r为半径的球面上.又因为BH⊥AD,B为定点,所以动点H又在过点B且垂直于直线AD的定平面上,故点H运动的轨迹是圆.
例9.如图,在边长为3正方体ABCD﹣A1B1C1D1中,E为BC的中点,点P在正方体的表面上移动,且满足B1P⊥D1E,当P在CC1上时,AP=
,点B1和满足条件的所有点P构成的平面图形的面积是
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解:取CC1,CD的中点分别为N,M,连结AM,MN,B1N,AB1,由于AB1∥MN,所以AB1NM四点共面,且四边形AB1NM为梯形,因为D1E⊥MN,D1E⊥AM,MN∩AM=M,所以D1E⊥面AB1NM,因为点P在正方体表面上移动,所以点P的运动轨迹为梯形AB1NM,如图所示:
因为正方体ABCD﹣A1B1C1D1的边长为3,所以当点P在CC1上时,点P为CC1的中点N,
例10.如图,在正方体ABCD﹣A1B1C1D1中,E是AB的中点,F在CC1上,且CF=2FC1,点P是侧面AA1D1D(包括边界)上一动点,且PB1∥平面DEF,则tan∠ABP的取值范围为
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6.构建函数求最值——数形结合
在解决立体几何中的“动态”问题时,对于一些很难把握运动模型(规律)的求值问题,可以通过构建某个变量的函数,以数解形.
例11(·浙江)如图9,在△ABC中,AB=BC=2,∠ABC=°.若平面ABC外一点P和线段AC上一点D,满足PD=DA,PB=BA,则四面体P-BCD的体积的最大值是________.
总之,解立体几何动态问题的过程实质是数学建模的过程,是创新的过程.方程、函数和图形变换是基础,因此夯实基础是解决此类问题的关键.化整为零的思想、转化思想、数形结合思想、函数思想、分类讨论思想等是解决立体几何动态问题的最佳策略.真正破解动态立体几何问题,需要整体把握动态变化过程,更需要深厚的空间想象之内功.如果说招式是术,那么内功就是修行,即不断积累知识与技巧、经验与经历.
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