引入

教室里天花板的一条边和地面的一条边,既不平行也不相交,它们算什么关系?

为什么”两条直线没有公共点”在平面内意味着平行,在空间中却有两种可能?

一条斜线和它在平面内的射影,为什么能代表这条斜线与平面的夹角?

平面几何里,两条直线的位置关系只有相交和平行两种。进入三维空间后,多出了”异面”这一类,整个位置关系的分类体系随之扩展。

正文

定义

异面直线是不同在任何一个平面内的两条直线。它们既不平行,也不相交。

两条直线的三种关系

关系共面性公共点判定
相交共面 个有公共点
平行共面 个共面且无公共点
异面不共面 个不共面

“无公共点”不能推出平行。这是立体几何与平面几何最大的直觉差异。要判断平行,还必须额外确认共面。

异面直线的判定

方法做法
反证法假设共面,推出与已知条件矛盾
定理过平面内一点与平面外一点的直线,与平面内不经过该点的直线是异面直线

第二条定理最实用:只要一条线穿过平面、另一条线在平面内且不过穿点,两者必然异面。

异面直线所成的角

定义

过空间任一点,分别作两条异面直线的平行线,这两条相交直线所成的锐角或直角,称为异面直线所成的角,范围是 。

做法叫平移法:把两条异面直线平移到同一点,让它们相交,再用平面几何求角。

步骤操作
1选一个合适的点(常取其中一条线上的已知点)
2作另一条线的平行线
3在得到的三角形中求角
4若结果为钝角,取其补角

两条异面直线所成角为 时,称它们互相垂直,记作 。注意这与”相交成直角”不同,异面垂直没有交点。

直线与平面所成的角

情形角度
直线在平面内
直线与平面平行
直线与平面垂直
斜线与平面相交斜线与射影的夹角,

为什么用射影定义? 因为斜线上每一点到平面的垂足构成射影,射影是斜线在平面内”最贴近”的方向,用它作为参照,角度才唯一。

求法:在斜线上取一点(非斜足),作平面的垂线,连接垂足与斜足得到射影,在直角三角形中求角。

二面角

定义

从一条直线出发的两个半平面所组成的图形称为二面角,这条直线称为棱。在棱上任取一点,分别在两个半平面内作垂直于棱的射线,两射线所成的角称为二面角的平面角。

关键是”垂直于棱”:两条射线必须都垂直于棱,且各自在对应半平面内。这样定义的平面角与点的选取无关。

二面角大小两平面关系
锐角斜交
直角两平面垂直
钝角斜交

三种角的关系

角顶点位置范围
异面直线所成角平移后的交点
线面角斜足
二面角棱上任意点

二面角可以取钝角,另外两种不可以。这是因为二面角描述的是两个半平面的张开程度,而前两者描述的是方向偏离,取锐角才有唯一性。

常见误区

错误说法问题
”无公共点就是平行”可能异面
”异面直线所成角可以是钝角”规定取锐角或直角
”线面角就是斜线与平面内任意直线的夹角”必须是与射影的夹角
”二面角的平面角可以任取两条射线”必须都垂直于棱
”异面垂直的说法不成立”成立,指所成角为

引出

为什么二面角的平面角与棱上点的选取无关?

用向量求这三种角,公式为什么会统一成”夹角余弦的绝对值”?

空间中的距离能否也用向量统一表示?