内容正文:
■安徽省长丰县第一中学
鲍明娟
立体几何是高考的必考知识点,其中解
答题通常设置两问,第一问常考平行、垂直等
证明问题;第二问通常需要利用建系法解决
与角度、长度相关的计算问题。在每道小题
的设置上力求证明与求解并重。试题的命制
载体有倾向于不规则几何体的趋势,但仍以
“方便建系”为原则,重点考查运算及综合应
用的能力。因为建系的目的是将立体几何问
题转化为代数运算问题,所以我们建立一个
合适的空间直角坐标系以降低运算量是很必
要的。本文归纳了立体几何问题中常见的建
系方法,供同学们复习时参考。
方法一、利用共交点的互相垂直的三条
直线构建空间直角坐标系
在三维空间中,我们通常使用一个右手
定则来定义三个垂直的轴分别为x 轴,y 轴,
z轴,这三个轴应当满足右手四指从x 轴正
方向按逆时针旋转45°或135°(直观图中)到
y 轴正方向时,大拇指所指方向是z 轴的正
方向,三条轴的公共交点就是空间直角坐标
系的坐标原点,简称右手空间直角坐标系。
图1
例 1 如图1,在直三
棱柱 ABC-A1B1C1 中,AA1
=AB =AC,AM→ =2MC→,
C1N→=2NA1→。
(1)证 明:B1C∥平 面
BMN;
(2)若BC= 3AB,求二面角B-MN-A
的余弦值。
图2
解析:(1)如图2,
延
长 MN,AA1 交于点P,
连接 PB,设 AB1∩PB
=Q,连接 MQ,由
PA1
PA
=
NA1
MA =
1
2
,可 知 PA
=
2AA1,所以
QB1
QA=
BB1
PA=
AA1
PA =
1
2
。因为
MC
AM=
1
2
,所以AM
AC =
AQ
AB1
=
2
3
。又∠MAQ
=∠CAB1,所 以 △MAQ∽ △CAB1,所 以
MQ∥CB1。又因为CB1⊄平面BMN,所以
B1C∥平面BMN。
(2)因为 AB=AC,
BC= 3AB,所以
∠BAC=120°。在△ABC 内过点A 作AB
图3
的垂线Az,由直棱柱的定义
可得AA1⊥AB,AA1⊥Az。
以A 为坐标原点,建立如图
3所 示 的 空 间 直 角 坐 标 系
A-xyz。
设 AB=3a,则 B(3a,
0,0),M(-a,0,3a),N -
a
2
,3a,
3a
2 ,
所 以 BM→ =
(-4a,0,3a),BN→ =
-
7a
2
,3a,
3a
2 ,所以可得平面BMN 的一
个法向量为n1=
(23,3,8)。
又因 为 AM→=(-a,0,3a),AN→=
-
a
2
,3a,
3a
2 ,所以可得平面 AMN 的一
个法向量为n2=(3,0,1)。
所以cos<n1,n2>=
n1·n2
|n1||n2|
=
14
2× 79
=
7 79
79
,即二面角 B-MN-A 的余弦值为
7 79
79
。
点评:本题先由直棱柱的定义得出 AA1
是一条轴,接着只需在平面ABC 中找两条相
交垂直的直线即 可,而△ABC 是 等 腰 三 角
形,且BC= 3AB,易得∠BAC=120°,从而
确定垂直于AB 的直线Az 的位置。这样就
找到三条共交点A 的两两垂直的直线,最后
建系。我们一般取竖直向上方向为z 轴正方
向(如本题中取 Az),用右手大拇指指向z
轴,剩下两条直线四指从x 轴正方向(本题中
03
解题篇 经典题突破方法
高考数学 2024年2月
AB)按逆时针方向转45°或135°(直观图中)
至y 轴正方向(本题中AA1),如图3建系。
方法二、利用线面垂直关系构建空间直
角坐标系
由线面垂直的定义可知,一条直线垂直
于平面,则这条直线垂直于平面内任意一条
直线。因此,我们选择这条直线为一条轴,再
在与它垂直的平面内找两条相交且垂直的直
线作为剩下两条轴,最后转化为共交点的三
条直线来建系。若不共交点,可以平移至共
交点来建系,但遵循的原则是让更多的点落
在轴上,以便于计算。
图4
例 2 如图4,在四棱锥
P-ABCD 中,底面 ABCD 是直
角梯形,AD⊥AB,AB∥DC,PA
⊥底面ABCD,E 为棱PC 的中
点,AD=DC=AP=2AB=2。
(1)证明:BE∥平面PAD。
(2)在棱PC 上是否存在点F,使得二面
角F-AD-C 的余弦值为
10
10
? 若存在,求出
PF
PC
的值;若不存在,请说明理由。
解析:
(1)取PD 的中点为G,连接AG,
图5
EG,如图5,因为G 和E 分别为
PD 和 PC 的中点,所以 EG∥
CD,且 EG=
1
2CD
。又因为底
面 ABCD 是 直 角 梯 形,CD =
2AB,AB∥CD,所以 AB∥GE,
且AB=GE,所以四边形ABEG 为