解读高考中的空间动态几何问题

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  在近年全国各地高考数学试卷中,立体几何的考查一般为两小一大,平均为22分左右。立体几何着重培养学生的空间观念及逻辑推理能力,其中的动态问题,要求学生用运动变化的观点解决空间位置关系的判定与计算,对学生思维层次的要求较高,同时,动态几何问题可培养学生的空间感和运动变化观点,考查学生解决问题的综合能力,常成为高考的创新试题,通过对高考试题的研究,本文选择高考中常见的几类动态型问题,剖析其具体求解策略。
  1、曲面上的动态问题——短程线问题
  短程线问题在高考中比较常见,在求折线长最小或求几何体面上线段长的最小值时,常以直代曲,将立体图形展开成平面图形,化空间问题为平面问题。如:
  例1(05年江西理科15题)如图,在直三棱柱ABC—A1B1C1中,AB=BC=,BB1=2,,E、F分别为AA1、C1B1的中点,沿棱柱的表面从E到F两点的最短路径的长度为 。
  简析:将上底面沿A1B1与面A1B展平,求出线段EF长度,将面BC1沿BB1与面A1B展平,求出线段EF的长,比较两个值中较小的为最短路径。本题容易不作比较直接给出错误的答案。
  同类题比较:06年江西文科15题,06年江西理科15题等,可采用同样的方法来解决。
  2、平面图形的翻折问题
  将平面图形翻折成空间图形,既是实际应用问题的需要,又具有考察学生空间想象能力、逻辑推理、数学实践、综合分析问题能力的功能,因此,它是高考中的一种常见题型。如:
  例2(08年重庆理科19题)如图,在中,B=,AC=,D、E两点分别在AB、AC上,使,DE=3,现将沿DE折成直二角角,求:
  (Ⅰ)异面直线AD与BC的距离;
  (Ⅱ)二面角A-EC-B的大小(用反三角函数表示)。
  求解策略:此类问题总的难度并不太大,最关键的是要了解翻折前后的点、线、面之间的位置关系的变化情况。应注意以下几点:(1)翻折后,若线与线同在一个平面内,则它们的位置关系不发生任何变化;(2)若翻折后,线与线由同在一个平面转为不在同一平面内,则其位置关系应注意变化的结果是什么。
  同类题比较:07年湖南理科18题,06年辽宁理科18题,山东理科12题,05年湖南理科17题,江西理科9题,浙江理科12题等。
  3、几何体在平面上的动态投影及三视图问题
  在运动变化中有一些特殊(或极限)位置,从特殊(或极限)位置着手,再动态观察其变化过程,将直觉猜想与逻辑推理结合,可快捷流畅解决问题,体现一般与特殊的辩证关系。在新课程中引入三视图的内容后,以三视图为考点的题也会越来越常见。如:
  例3(08年理科海南12题)某几何体的一条棱长为,在该几何体的正视图中,这条棱的投影是长为的线段,在该几何体的侧视图与俯视图中,这条棱的投影分别是长为和的线段,则+的最大值为( )
  A、 B、 C、4 D、
  简析:本题考查三视图的概念及平均值不等式。设棱为AB,取A(0,0,0),B(,,),则,正视图中投影长为,,同理,,可得,,,所以+,故选C。
  例4(02年北京理科15题)关于直角AOB在定平面α内的射影有如下判断:①可能是0°的角;②可能是锐角;③可能是直角;④可能是钝角;⑤可能是180°的角。其中正确判断的序号是 _______(注:把你认为是正确判断的序号都填上)
  简析:这是考查空间想象能力的一个优美试题,“把空间想象能力的考查与逻辑推理、模型化方法相结合,体现了运动变化的解题方法”(北京卷命题者原话)。
  例5(06年浙江理科14题)正四面体ABCD的棱长为1,棱AB∥平面α,则正四面体上的所有点在平面α内的射影构成的图形面积的取值范围是 。
  简析:本题考查正四面体、点在平面内的射影、线面关系等基础知识,空间想象能力和推理能力。由已知得当CD⊥α时,所求面积最小为,当CD//α时,所求面积最大为。
  演变题:平行光线照到一个棱长为1的正方体上,在正方体后面的平面上的投影的面积为S,则S的最大值为___________。
  简析:如图,正方体的影子由三个平行四边形(有的平行四边形可能因光些的某些照射方向而蜕化成线段)组成,其面积等于2△A1BC1,当正方体的截面A1BC1与照射方向垂直时,正方体的投影的面积最大,易知此最大值为。
  4、以探索为主的动态几何题
  探索性问题是一种具有开放性和发散性的问题,此类题目的条件或结论不完备。要求解答者自己去探索,结合已有条件,进行观察、分析、比较和概括。它对学生的数学思想、数学意识及综合运用数学方法的能力提出了较高的要求。它有利于培养学生探索、分析、归纳、判断、讨论与证明等方面的能力,使学生经历一个发现问题、研究问题、解决问题的全过程。
  (1)条件追溯型:这类问题的基本特征是:针对一个结论,条件未知需探索,或条件增删需确定,或条件正误需判断。解决这类问题的基本策略是:执果索因,先寻找结论成立的必要条件,再通过检验或认证找到结论成立的充分条件,有时运算量会很大,这时也需通过判断后大胆猜测,常见的猜想有:点的位置常为中点或三等分点,比值常为1或2等。
  在“执果索因”的过程中,常常会犯的一个错误是不考虑推理过程的可逆与否,误将必要条件当作充分条件,应引起注意。
  例6(05年浙江理科18题)如图,在三棱锥P-ABC中,AB⊥BC,AB=BC=PA,点O、D分别是AC、PC的中点,OP⊥底面ABC。
  (Ⅱ)当取何值时,O在平面PBC内的射影恰好为△PBC的重心?
  简析:由已知及待求(证)进行合理的空间想象,是解决问题的关键,必要时可逆向分析倒推,寻找求解问题的切入点。   法一:OF⊥平面PBC,∵D是PC的中点,若点F是△ABC的重心,则B、F、D三点共线,∴直线OB在平面PBC内的射影为直线BD。∵OB⊥PC,∴PC⊥BD,∴PB=BC,即=1。
  反之,当=1时,三棱锥O-PBC为正三棱锥,所以O在平面PBC内的射影恰好为△PBC的重心。
  法二:利用重心分高线的比为1:2,结合方程思想可求解。
  法三:建立空间坐标系利用空间向量来解。
  同类题比较:(1)08年浙江理科18题:如图,矩形ABCD和梯形BEFC所在平面互相垂直,BE//CF,BCF=CEF=,AD=,EF=2。
  (Ⅱ)当AB的长为何值时,二面角A-EF-C的大小为?
  该题难度不大,解题过程略过不提。
  (2)2000年全国理科18题:如图,已知平行六面体ABCD-的底面ABCD是菱形,且==。
  (III)当的值为多少时,能使平面?请给出证明。
  简析:本题参考答案的两种解法都是先猜想出比值为1,然后再证明线面垂直,该题若从结论出发,执果索因,也可以做出来,但就不一定合适了,因为运算量是相当的大。
  (2)存在判断型
  这类问题的基本特征是:要判断在某些确定条件下的某一数学对象(数值、图形、函数等)是否存在或某一结论是否成立。解决这类问题的基本策略是:通常假定题中的数学对象存在(或结论成立)或暂且认可其中的一部分的结论,然后在这个前提下进行逻辑推理,若由此导出矛盾,则否定假设;否则,给出肯定结论。其中反证法在解题中起着重要的作用。如:
  例7(08年福建理科18题)如图,在四棱锥P-ABCD中,则面PAD⊥底面ABCD,侧棱PA=PD=,底面ABCD为直角梯形,其中BC∥AD,AB⊥AD,AD=2AB=2BC=2,O为AD中点。
  (Ⅲ)线段AD上是否存在点Q,使得它到平面PCD的距离为?若存在,求出 的值;若不存在,请说明理由。
  简析:假设Q点存在,设QD,利用体积自等法求出,所以存在,且。
  同类题比较:06年湖北理科18题,04年湖南理科19题。“存在”就是有,证明有或者可以找出一个也行。“不存在”就是没有,找不到。这类问题常用反证法加以认证。“是否存在”的问题,结论有两种:如果存在,找出一个来;如果不存在,需说明理由。这类问题常用“肯定顺推”。
  (3)条件重组型
  这类问题是指给出了一些相关命题,但需对这些命题进行重新组合构成新的复合命题,或题设的结求的方向,条件和结论都需要去探求的一类问题。此类问题更难,解题要有更强的基础知识和基本技能,需要要联想等手段。一般的解题的思路是通过对条件的反复重新组合进行逐一探求。应该说此类问题是真正意义上的创新思维和创造力。
  例8(07年上海理科10题)平面内两直线有三种位置关系:相交,平行与重合。已知两个相交平面与两直线,又知在内的射影为,在内的射影为。试写出与满足的条件,使之一定能成为是异面直线的充分条件 。
  简析:(1)考虑到两条异面直线在同一平面内的射影不可能是两条重合直线,这样,两对射影的位置应有三种可能,平行与平行,相交与相交,平行与相交。那么,哪个位置关系能推出与异面呢?现逐一验证,可排除平行与平行及相交与相交,故正确答案应为一对平行,一对相交。
  (2)记所求充分条件为A,则原命题A=>与异面,现考查它的逆否命题:与共面=>┐A。若与平行,则在两个相交平面内的射影平行或重合;若与相交,则在两个相交平面内的射影相交或重合,故所求充分条件A应为一对相交,一对平行。
  本题立意深远、编制新颖,对空间想象、逻辑推理及分析能力都提出了较高要求,具有明显的区分功能。
  5、与其它学科交汇的空间动态几何题
  (1)活跃在空间图形中的轨迹问题
  在知识网络交汇点处设计试题是这几年高考命题改革的一大趋势。而以空间图形为素材的轨迹问题,由于具有其独特的新颖性、综合性与交汇性,创新能力与数学思想方法要求高,所以倍受命题者的亲睐。例如:
  例9(08年浙江理科8题)如图,AB是平面的斜线段,A为斜足,若点P在平面内运动,使得△ABP的面积为定值,则动点P的轨迹是( )
  (A)圆(B)椭圆(C)一条直线(D)两条平行直线
  简析:P到AB距离为定值,则P在以AB为轴的圆柱面上,圆柱面被平面斜截,所得交线为椭圆,故选B。
  同类题比较:(04年北京理科第4题)如图,已知正方体ABCD—A1B1C1D1,点P在平面ABB1A1内运动,且点P到直线BC与直线A1B1的距离相等,则P点的轨迹是下图中的()
  简析:不难发现BC与面ABB1A1垂直,则P点到直线BC的距离就等于P点到B点的距离。
  于是,在面ABB1A1内,P点到直线A1B1的距离等于到点B的距离。由抛物线的定义知,P点的轨迹是以A为顶点,B为焦点的抛物线,考虑到轨迹取上半部分,故选C。
  同类题比较:(04重庆理科12题)若三棱锥A—BCD的侧面ABC内一动点P到平面BCD距离与到棱AB距离相等,则动点P的轨迹与△ABC组成的图形可能是()
  简析:设二面角A—BC—D大小为θ,作PR⊥面BCD,R为垂足,PQ⊥BC于Q,PT⊥AB于T,则∠PQR=θ,且由条件PT=PR=PQ·sinθ,∴为小于1的常数,故轨迹图形应选D。
  演变题:已知P是正四面体S-ABC的面SBC上一点,P到面ABC的距离与到点S的距离相等,则动点P的轨迹所在的曲线是()
  A、圆 B、椭圆 C、双曲线 D、抛物线
  简析:设二面角S-BC-A大小为θ,易得P到S与到BC的距离之比为sinθ,是一个小于1的常数,所以动点P的轨迹所在的曲线是椭圆。
  同类题比较:04年天津文科第8题。求解策略:这类问题常常要借助于圆锥曲线的定义来判断,常见的轨迹类型有:线段、圆、圆锥曲线、球面等。在考查学生的空间想象能力的同时,又融合了曲线的轨迹问题,是一种创新题。
  (2)与函数及导数交汇的试题
  近年来新教材引入了导数,在应用导数求单调性、最值方面的应用也突显出来,在空间动态几何问题上的应用也逐步提高。例如:
  例10(07广东理科19题)如图6所示,等腰△ABC的底边AB=6,高CD=3,点E是线段BD上异于点B、D的动点。点F在BC边上,且EF⊥AB。现沿EF将△BEF折起到△PEF的位置,使PE⊥AE。记,V(x)表示四棱锥P-ACFE的体积。
  (1)求V(x)的表达式;
  (2)当x为何值时,V(x)取得最大值?
  (3)当V(x)取得最大值时,求异面直线AC与PF所成角的余弦值。
  简析:本题以平面图形折叠为背景,融空间动态最值问题、导数、异面直线所成角的计算于一体,编制颇有新意,通过函数与导数思想即可解决。
  同类题比较:06江苏理科18题帐篷体积问题。
  涉及空间动态几何也还有其他一些类型,如几何体的拼、用平面图形裁剪围成几何体的体积等等,不再一一列举。面对空间动态几何问题,要让学生学会找到思维的切入点,一方面要培养空间想象能力,另一方面要把握运动变化的实质,即动中有静的规律,便可做到举一反三,事半功倍了。
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