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立体几何中的拓展与创新问题
高考定位立体几何创新问题的类型有:(1)拓展二维平面中的概念、定理、性质,上升到三维空间问题;(2)在立体几何中定义新运算,并应用新的运算性质解决问题;(3)定义新概念或新几何体,以此为载体构建数学问题.解决立体几何创新题的策略为降维、减域、补形、分割.
【题型突破】
题型一立体几何+定理或概念拓展
例1由空间一点O发出不共面的三条射线OA,OB,OC及相邻两射线所在平面构成的几何图形叫三面角,记为O-ABC.其中O叫做三面角的顶点,面AOB,BOC,COA叫做三面角的面,∠AOB,∠BOC,∠AOC叫做三面角的三个面角,分别记为α,β,γ,二面角A-OB-C,B-OA-C,A-OC-B叫做三面角的二面角,设二面角A-OC-B的平面角大小为x,则一定成立的是()
A.cosx=eq\f(cosα-cosβcosγ,sinβsinγ)
B.cosx=eq\f(cosα+cosβcosγ,sinβsinγ)
C.cosx=eq\f(sinα-sinβsinγ,cosβcosγ)
D.cosx=eq\f(sinα+sinβsinγ,cosβcosγ)
答案A
解析如图,∠AOB=α,∠BOC=β,∠AOC=γ,
在OC上取一点K,过K在平面BOC内作KM⊥OC,交OB于M,
过K在平面AOC内作KN⊥OC,交OA于N,连接MN,
则∠NKM是二面角A-OC-B的平面角,即∠NKM=x.
设OM=m,在直角三角形OKM中,OK=mcosβ,KM=msinβ,
在直角三角形OKN中,ON=eq\f(mcosβ,cosγ),
KN=mcosβtanγ=eq\f(mcosβsinγ,cosγ),
在△OMN中,
MN2=m2+eq\f(m2cos2β,cos2γ)-2m2·eq\f(cosαcosβ,cosγ),
在△KMN中,KM2+KN2-NM2=2KM·KN·cosx,
即为m2sin2β+eq\f(m2cos2βsin2γ,cos2γ)-m2-eq\f(m2cos2β,cos2γ)+2m2·eq\f(cosαcosβ,cosγ)
=m2·eq\f(-2cos2βcos2γ+2cosαcosβcosγ,cos2γ)
=m2·eq\f(2(cosαcosβ-cos2βcosγ),cosγ)
=2msinβ·eq\f(mcosβsinγ,cosγ)·cosx,
所以cosx=eq\f(cosα-cosβcosγ,sinβsinγ).
规律方法解决此类问题要注意运用类比的思想方法,即把解决二维平面问题的方法运用到三维空间中,同时要注意二维平面与三维空间的区别与联系.
训练1(2024·杭州调研)类比于二维平面中的余弦定理,有三维空间中的三面角余弦定理;如图1,由射线PA,PB,PC构成的三面角P-ABC,∠APC=α,∠BPC=β,∠APB=γ,二面角A-PC-B的大小为θ,则cosγ=cosαcosβ+sinαsinβcosθ,如图2,四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD为平行四边形,AA1⊥BC,AC=BC=AA1,且∠A1AC=60°,∠BAC=45°.
(1)证明二面角A1-AC-B为直二面角,并求∠A1AB的余弦值;
(2)在直线CC1上是否存在点P,使BP∥平面DA1C1?若存在,求出点P的位置;若不存在,说明理由.
(1)证明∵AC=BC,∠BAC=45°,则∠ABC=45°,
∴AC⊥BC,
∵AA1⊥BC,AA1∩AC=A,AA1,AC?平面A1ACC1,
∴BC⊥平面A1ACC1,
∵BC?平面ABCD,∴平面AA1C1C⊥平面ABCD,即二面角A1-AC-B为直二面角,
由平面AA1C1C⊥平面ABCD,知θ=90°,
∴由cosγ=cosαcosβ+sinαsinβcosθ,
得cos∠A1AB=cos∠A1AC·cos∠CAB,
∵∠A1AC=60°,∠BAC=45°,
∴cos∠A1AB=eq\f(1,2)×eq\f(\r(2),2)=eq\f(\r(2),4).
(2)解在直线CC1上存在点P,使BP∥平面DA1C1,
连接B1C,延长C1C至P,使CP=C1C,连接BP,
在棱柱ABCD-A1B1C1D1中,A1B1∥AB,A1B1=AB,AB∥CD,AB=CD,
∴A1B1∥DC,A1B1=DC,∴四边形A1B1CD为平行四边形,∴A1D∥B1C,
在四边形B1BPC中,B1B∥CP,B1B=CP,
∴四边形B1BPC为平行四边形,∴B1C∥BP,∴A1D∥BP,
又
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