文档内容
第2讲 空间点、直线、平面之间的位置关系
最新考纲 考向预测
借助长方体,在直观认识空 主要考查与点、线、面位置关系
间点、直线、平面的位置关 有关的命题真假判断和求解异
系的基础上,抽象出空间 命题趋势 面直线所成的角,主要以选择题
点、直线、平面的位置关系 和填空题的形式出现,主要为中
的定义,了解公理1~4及其 低档题.
相关定理. 核心素养 直观想象、逻辑推理
1.四个公理
公理1:如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线在此平面内.
公理2:过不在一条直线上的三点,有且只有一个平面.
公理3:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该
点的公共直线.
公理4:平行于同一条直线的两条直线互相平行.
2.空间直线的位置关系
(1)位置关系的分类
(2)异面直线所成的角
①定义:设a,b是两条异面直线,经过空间中任一点O作直线a′∥a,b′∥b,
把a′与b′所成的 锐角 ( 或直角 )叫做异面直线a与b所成的角(或夹角).
②范围:.
(3)等角定理
空间中如果两个角的两边分别对应平行,那么这两个角相等或互补.
3.空间中直线与平面、平面与平面的位置关系
(1)空间中直线和平面的位置关系
位置关系 图形表示 符号表示 公共点
直线a在
a⊂α 有无数个公共点
平面α内
直 直线a与平 a∥α 没有公共点线 面α平行
在 直线a与平
a∩α=A
平 面α斜交 有且只有一个公
面 直线a与平 共点
a⊥α
外 面α垂直
(2)空间中两个平面的位置关系
位置关系 图形表示 符号表示 公共点
两平面平行 α∥β 没有公共点
斜
两平 α∩β=l
交
面相 有一条公共直线
交 垂 α⊥β且
直 α∩β=a
常用结论
1.公理2的三个推论
推论1:经过一条直线和这条直线外一点有且只有一个平面;
推论2:经过两条相交直线有且只有一个平面;
推论3:经过两条平行直线有且只有一个平面.
2.异面直线判定的一个定理
过平面外一点和平面内一点的直线,与平面内不过该点的直线是异面直线.
常见误区
1.异面直线易误解为“分别在两个不同平面内的两条直线为异面直线”,实
质上两异面直线不能确定任何一个平面,因此异面直线即不平行,也不相交.
2.在判断直线与平面的位置关系时最易忽视“线在平面内”.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)若P∈α∩β且l是α,β的交线,则P∈l.( )
(2)三点A,B,C确定一个平面.( )
(3)若直线a∩b=A,则直线a与b能够确定一个平面.( )
(4)若A∈l,B∈l且A∈α,B∈α,则l⊂α.( )
(5)分别在两个平面内的两条直线是异面直线.( )答案:(1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)×
2.(多选)α是一个平面,m,n是两条直线,A是一个点,若m⊄α,n⊂α,且
A∈m,A∈α,则m,n的位置关系可能是( )
A.垂直 B.相交
C.异面 D.平行
解析:选ABC.依题意,m∩α=A,n⊂α,
所以m与n可能异面、相交(垂直是相交的特例),一定不平行.
3.若∠AOB=∠A O B ,且OA∥O A ,OA与O A 的方向相同,则下列结论中
1 1 1 1 1 1 1
正确的是( )
A.OB∥O B 且方向相同
1 1
B.OB∥O B
1 1
C.OB与O B 不平行
1 1
D.OB与O B 不一定平行
1 1
解析:选D.两角相等,角的一边平行且方向相同,另一边不一定平行,故选D.
4.(易错题)如图所示,在正方体ABCDA B C D 中,E,F分别是AB,AD的中
1 1 1 1
点,则异面直线B C与EF所成角的大小为________.
1
解析:连接B D ,D C,则B D ∥EF,故∠D B C为所求角,又B D =B C=
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
D C,所以∠D B C=60°.
1 1 1
答案:60°
5.如图,在三棱锥ABCD中,E,F,G,H分别是棱AB,BC,CD,DA的中点,则
(1)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为菱形;
(2)当AC,BD满足条件________时,四边形EFGH为正方形.
解析:(1)因为四边形EFGH为菱形,
所以EF=EH,故AC=BD.
(2)因为四边形EFGH为正方形,所以EF=EH且EF⊥EH,
因为EF綊AC,EH綊BD,
所以AC=BD且AC⊥BD.
答案:(1)AC=BD (2)AC=BD且AC⊥BD
平面的基本性质
如图所示,在正方体ABCDA B C D中,E,F分别是AB和AA 的中点,
1 1 1 1
求证:E,C,D ,F四点共面.
1
【证明】 如图所示,连接CD ,EF,A B,
1 1
因为E,F分别是AB和AA 的中点,所以EF∥A B且EF=A B.
1 1 1
又因为A D 綊BC,
1 1
所以四边形A BCD 是平行四边形,
1 1
所以A B∥CD ,所以EF∥CD ,
1 1 1
所以EF与CD 确定一个平面α,
1
所以E,F,C,D ∈α,
1
即E,C,D ,F四点共面.
1
【引申探究】 (变问法)若本例条件不变,如何证明“CE,D F,DA交于一
1
点”?
证明:如图,由本例知EF∥CD ,且EF=CD ,
1 1所以四边形CD FE是梯形,
1
所以CE与D F必相交,设交点为P,
1
则P∈CE且P∈D F,
1
又CE⊂平面ABCD,
且D F⊂平面A ADD ,
1 1 1
所以P∈平面ABCD,
且P∈平面A ADD .
1 1
又平面ABCD∩平面A ADD =AD,所以P∈AD,
1 1
所以CE,D F,DA三线交于一点.
1
共面、共线、共点问题的证明方法
(1)证明点或线共面:
①首先由所给条件中的部分线(或点)确定一个平面,然后再证其余的线(或
点)在这个平面内;②将所有条件分为两部分,然后分别确定平面,再证两平面重
合.
(2)证明点共线:
①先由两点确定一条直线,再证其他各点都在这条直线上;②直接证明这些
点都在同一条特定的直线上.
(3)证明线共点:先证其中两条直线交于一点,再证其他直线经过该点.
[提醒] 点共线、线共点等都是应用公理3,证明点为两平面的公共点,即证
明点在交线上.
1.(多选)如图,在长方体ABCD A B C D 中,O是DB的中
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点,直线A C交平面C BD于点M,则下列结论正确的是(
1 1
)
A.C ,M,O三点共线
1
B.C ,M,O,C四点共面
1
C.C ,O,A ,M四点共面
1 1
D.D ,D,O,M四点共面
1
解析:选ABC.连接A C ,AC,则AC∩BD=O,又A C∩平
1 1 1
面C BD=M,所以三点C ,M,O在平面C BD与平面ACC A
1 1 1 1 1
的交线上,所以C ,M,O三点共线,所以选项A,B,C均正确,
1选项D错误.
2.如图,空间四边形ABCD中,E,F分别是AB,AD的中点,G,H分别在BC,
CD上,且BG∶GC=DH∶HC=1∶2.
(1)求证:E,F,G,H四点共面;
(2)设EG与FH交于点P,求证:P,A,C三点共线.
证明:(1)因为E,F分别为AB,AD的中点,所以EF∥BD.在△BCD中,==,
所以GH∥BD,所以EF∥GH,所以E,F,G,H四点共面.
(2)因为EG∩FH=P,P∈EG,EG⊂平面ABC,
所以P∈平面ABC.同理P∈平面ADC .
所以P为平面ABC与平面ADC的公共点,
又平面ABC∩平面ADC=AC,
所以P∈AC,所以P,A,C三点共线.
空间两直线的位置关系
(2019·高考全国卷Ⅲ)如图,点N为正方形ABCD的中心,△ECD为正
三角形,平面ECD⊥平面ABCD,M是线段ED的中点,则( )
A.BM=EN,且直线BM,EN是相交直线
B.BM≠EN,且直线BM,EN是相交直线
C.BM=EN,且直线BM,EN是异面直线
D.BM≠EN,且直线BM,EN是异面直线
【解析】 如图,取CD的中点F,连接EF,EB,BD,FN,因为△CDE是正三角
形,所以EF⊥CD.设CD=2,则EF=.因为点N是正方形ABCD的中心,所以BD
=2,NF=1,BC⊥CD.因为平面ECD⊥平面ABCD,所以EF⊥平面ABCD,BC⊥
平面ECD,所以EF⊥NF,BC⊥EC,所以在Rt△EFN中,EN=2,在Rt△BCE中,EB=2,所以在等腰三角形BDE中,BM=,所以BM≠EN.易知BM,EN是相交直
线.故选B.
【答案】 B
1.已知a,b是异面直线,A,B是a上的两点,C,D是b上的两点,M,N分别
是线段AC,BD的中点,则MN和a的位置关系是( )
A.异面 B.平行
C.相交 D.以上均有可能
解析:选A.若MN与AB平行或相交,则MN与AB共面,设该平面为α.因为
C∈直线AM,D∈直线BN,所以C∈α,D∈α,所以b⊂α.又因为A∈α,B∈α,所以
a⊂α.这与a,b异面矛盾.故选A.
2.(多选)如图所示,正方体ABCDA B C D 中,M,N分别为棱C D ,C C的中
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点,下列说法正确的有( )
A.直线AM与CC 是相交直线
1
B.直线AM与BN是平行直线
C.直线BN与MB 是异面直线
1
D.直线AM与DD 是异面直线
1
解析:选CD.因为点A在平面CDD C 外,点M在平面CDD C 内,直线CC
1 1 1 1 1
在平面CDD C 内,CC 不过点M,所以AM与CC 是异面直线,故A错;取DD
1 1 1 1 1的中点E,连接AE(图略),则BN∥AE,但AE与AM相交,故B错;因为B 与BN
1
都在平面BCC B 内,M在平面BCC B 外,BN不过点B ,所以BN与MB 是异面
1 1 1 1 1 1
直线,故C正确;同理D正确,故选CD.
异面直线所成的角
(1)如图,已知圆柱的轴截面ABB A 是正方形,C是圆柱下底面弧AB的
1 1
中点,C 是圆柱上底面弧A B 的中点,那么异面直线AC 与BC所成角的正切值
1 1 1 1
为________.
(2)四面体ABCD中,E,F分别是AB,CD的中点.若BD,AC所成的角为60°,
且BD=AC=1,则EF的长为________.
【解析】 (1)取圆柱下底面弧AB的另一中点D,连接C D,AD,
1
因为C是圆柱下底面弧AB的中点,
所以AD∥BC,所以直线AC 与AD所成的角即为异面直线AC 与BC所成的
1 1
角,因为C 是圆柱上底面弧A B 的中点,所以C D垂直于圆柱下底面,所以
1 1 1 1
C D⊥AD.
1
因为圆柱的轴截面ABB A 是正方形,
1 1
所以C D=AD,
1
所以直线AC 与AD所成角的正切值为,
1
所以异面直线AC 与BC所成角的正切值为.
1
(2)如图,取BC的中点O,连接OE,OF,因为OE∥AC,OF∥BD,
所以OE与OF所成的锐角(或直角)即为AC与BD所成的角,而AC,BD所成
角为60°,所以∠EOF=60°或∠EOF=120°.当∠EOF=60°时,EF=OE=OF=.
当∠EOF=120°时,取EF的中点M,则OM⊥EF,
EF=2EM=2×=.
【答案】 (1) (2)或
平移法求异面直线所成角的步骤
具体步骤如下:
1.直三棱柱ABCA B C 中,若∠BAC=90°,AB=AC=AA ,则异面直线BA
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与AC 所成的角等于( )
1
A.30° B.45°
C.60° D.90°
解析:选C.如图,可补成一个正方体,所以AC ∥BD .
1 1
所以BA 与AC 所成的角为∠A BD .
1 1 1 1
又易知△A BD 为正三角形.
1 1
所以∠A BD =60°.即BA 与AC 所成的角为60°.
1 1 1 1
2.(2021·济南市学习质量评估)如图,在正方形ABCD中,点E,F分别为BC,
AD的中点,将四边形CDFE沿EF翻折,使得平面CDFE⊥平面ABEF,则异面直
线BD与CF所成角的余弦值为________.
解析:如图,连接DE交FC于点O,
取BE的中点G,连接OG,CG,
则OG∥BD且OG=BD,
所以∠COG为异面直线BD与CF所成的角或其补角.
设正方形ABCD的边长为2,
则CE=BE=1,CF=DE==,
所以CO=CF=.
易得BE⊥平面CDFE,所以BE⊥DE,
所以BD==,
所以OG=BD=.
易知CE⊥平面ABEF,所以CE⊥BE,
又GE=BE=,所以CG==.
在△COG中,由余弦定理得,
cos∠COG===,
所以异面直线BD与CF所成角的余弦值为.
答案:
[A级 基础练]1.已知直线a和平面α,β,α∩β=l,a⊄α,a⊄β,且a在α,β内的射影分别为直
线b和c,则直线b和c的位置关系是( )
A.相交或平行 B.相交或异面
C.平行或异面 D.相交、平行或异面
解析:选D.依题意,直线b和c的位置关系可能是相交、平行或异面.故选D.
2.(多选)下列命题正确的是( )
A.梯形一定是平面图形
B.若两条直线和第三条直线所成的角相等,则这两条直线平行
C.两两相交的三条直线最多可以确定三个平面
D.若两个平面有三个公共点,则这两个平面重合
解析:选AC.对于A,由于两条平行直线确定一个平面,所以梯形可以确定一
个平面,故A正确;对于B,两条直线和第三条直线所成的角相等,则这两条直线
平行或异面或相交,故B错误;对于C,两两相交的三条直线最多可以确定三个
平面,故C正确;对于D,若两个平面有三个公共点,则这两个平面相交或重合,
故D错误.
3.(2021·安徽蚌埠第二中学期中)在四面体ABCD中,点E,F,G,H分别在直
线AD,AB,CD,BC上,若直线EF和GH相交,则它们的交点一定( )
A.在直线DB上 B.在直线AB上
C.在直线CB上 D.都不对
解析:选A.直线EF和GH相交,设其交点为M.因为EF⊂平面ABD,HG⊂平
面CBD,所以M∈平面ABD且M∈平面CBD.因为平面ABD∩平面BCD=BD,
所以M∈BD,所以EF与HG的交点在直线BD上.故选A.
4.如图所示,平面α∩平面β=l,A∈α,B∈α,AB∩l=D,C∈β,C∉l,则平面
ABC与平面β的交线是( )
A.直线AC B.直线AB
C.直线CD D.直线BC
解析:选C.由题意知,D∈l,l⊂β,所以D∈β,
又因为D∈AB,所以D∈平面ABC,
所以点D在平面ABC与平面β的交线上.又因为C∈平面ABC,C∈β,所以点C在平面β与平面ABC的交线上,所以
平面ABC∩平面β=CD.
5.如图,在三棱柱ABCA B C 中,底面三角形A B C 是正三角形,E是BC的
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中点,则下列叙述正确的是( )
A.CC 与B E是异面直线
1 1
B.C C与AE共面
1
C.AE与B C 是异面直线
1 1
D.AE与B C 所成的角为60°
1 1
解析:选C.由于CC 与B E都在平面C B BC内,故C C与B E是共面的,所
1 1 1 1 1 1
以A错误;由于C C在平面C B BC内,而AE与平面C B BC相交于E点,点E不
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在C C上,故C C与AE是异面直线,B错误;同理AE与B C 是异面直线,C正确
1 1 1 1
而AE与B C 所成的角就是AE与BC所成的角,E为BC中点,△ABC为正三角
1 1
形,所以AE⊥BC,D错误.
6.已知棱长为a的正方体ABCDA′B′C′D′中,M,N分别为CD,AD的中点,则
MN与A′C′的位置关系是________.
解析:如图,由题意可知MN∥AC.
又因为AC∥A′C′,
所以MN∥A′C′.
答案:平行
7.(2020·高考全国卷Ⅰ)如图,在三棱锥PABC的平面展开图中,AC=1,AB=
AD=,AB⊥AC,AB⊥AD,∠CAE=30°,则cos∠FCB=________.
解析:依题意得,AE=AD=,在△AEC中,AC=1,∠CAE=30°,由余弦定理
得EC2=AE2+AC2-2AE·ACcos∠EAC=3+1-2cos 30°=1,所以EC=1,所以CF=EC=1.又 BC===2,BF=BD==,所以在△BCF 中,由余弦定理得
cos∠FCB===-.
答案:-
8.如图,四边形ABCD和ADPQ均为正方形,它们所在的平面互相垂直,则
异面直线AP与BD所成的角为________.
解析:如图,将原图补成正方体ABCDQGHP,连接AG,GP,
则GP∥BD,所以∠APG为异面直线AP与BD所成的角,
在△AGP中,AG=GP=AP,
所以∠APG=.
答案:
9.如图,在棱长为a的正方体ABCDA B C D 中,M,N分别是AA ,D C 的中
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点,过D,M,N三点的平面与正方体的下底面相交于直线l.
(1)画出l的位置;
(2)设l∩A B =P,求PB 的长.
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解:(1)如图,延长DM与D A 交于点O,连接NO,则直线NO即为直线l.
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(2)因为l∩A B =P,则易知直线NO与A B 的交点即为P.
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所以A M∥DD ,且M,N分别是AA ,D C 的中点,所以A 也为D O的中点.
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由图可知==,所以A P=,从而可知PB =.
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10.如图所示,A是△BCD所在平面外的一点,E,F分别是BC,AD的中点.(1)求证:直线EF与BD是异面直线;
(2)若AC⊥BD,AC=BD,求EF与BD所成的角.
解:(1)证明:假设EF与BD不是异面直线,则EF与BD共面,从而DF与BE
共面,即AD与BC共面,所以A,B,C,D在同一平面内,这与A是△BCD所在平
面外的一点相矛盾.故直线EF与BD是异面直线.
(2)取CD的中点G,连接EG,FG,则AC∥FG,EG∥BD,所
以相交直线EF与EG所成的角,即为异面直线EF与BD所成
的角.
又因为AC⊥BD,则FG⊥EG.
在Rt△EGF中,由EG=FG=AC,求得∠FEG=45°,即异面直线EF与BD所
成的角为45°.
[B级 综合练]
11.已知直线l⊄平面α,直线m⊂平面α,给出下面四个结论:①若l与m不垂
直,则l与α一定不垂直;②若l与m所成的角为30°,则l与α所成的角也为30°;
③l∥m是l∥α的必要不充分条件;④若l与α相交,则l与m一定是异面直线.
其中正确结论的个数为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
解析:选A.对于①,当l与m不垂直时,假设l⊥α,那么由l⊥α一定能得到
l⊥m,这与已知条件矛盾,因此l与α一定不垂直,故①正确;对于②,易知l与m
所成的角为30°时,l与α所成的角不一定为30°,故②不正确;对于③,l∥m可以
推出l∥α,但是l∥α不能推出l∥m,因此l∥m是l∥α的充分不必要条件,故③
不正确;对于④,若l与α相交,则l与m相交或异面,故④不正确.故正确结论的
个数为1,选A.
12.如图,在正方体 ABCDA′B′C′D′中,平面 α 垂直于对角线
AC′,且平面α截得正方体的六个表面得到截面六边形,记此截面
六边形的面积为S,周长为l,则( )
A.S为定值,l不为定值 B.S不为定值,l为定值
C.S与l均为定值 D.S与l均不为定值解析:选B.设平面α截得正方体的六个表面得到截面六
边形ω,ω与正方体的棱的交点分别为I,J,N,M,L,K(如图).
将正方体切去两个正三棱锥 AA′BD和C′B′CD′,得到一
个几何体V,则V的上、下底面B′CD′与A′BD互相平行,
每个侧面都是等腰直角三角形,截面六边形ω的每一条边分别与V的底面上的
每一条边平行.设正方体的棱长为a,=γ,则IK=γB′D′=aγ,KL=(1-γ)A′B=a(1
-γ),故IK+KL=aγ+a(1-γ)=a.同理可证LM+MN=NJ+IJ=a,故六边形ω周
长为3a,即周长为定值.
当I,J,N,M,L,K都在对应棱的中点时,ω是正六边形.其面积S=6×××
=a2,△A′BD的面积为×(a)2×=a2,当ω无限趋近于△A′BD时,ω的面积无
限趋近于a2,故ω的面积一定会发生变化,不为定值.故选B.
13.如图,四边形ABEF和ABCD都是直角梯形,∠BAD=∠FAB=90°,BC綊
AD,BE綊FA,G,H分别为FA,FD的中点.
(1)证明:四边形BCHG是平行四边形;
(2)C,D,F,E四点是否共面?为什么?
解:(1)证明:由已知FG=GA,FH=HD可得GH綊AD.又BC綊AD,所以GH
綊BC.所以四边形BCHG为平行四边形.
(2)C,D,F,E四点共面,理由如下:由BE綊AF,G为FA的中点知,BE綊
FG,所以四边形 BEFG 为平行四边形,所以 EF∥BG.由(1)知BG∥CH,所以
EF∥CH,所以EF与CH共面,又D∈FH,所以C,D,F,E四点共面.
14.
如图,E,F,G,H分别是空间四边形 ABCD 各边上的点,且AE∶EB=
AH∶HD=m,CF∶FB=CG∶GD=n.
(1)证明:E,F,G,H四点共面;
(2)m,n满足什么条件时,四边形EFGH是平行四边形?(3)在(2)的条件下,若AC⊥BD,试证明:EG=FH.
解:(1)证明:因为AE∶EB=AH∶HD,所以EH∥BD.
又CF∶FB=CG∶GD,
所以FG∥BD.所以EH∥FG.
所以E,F,G,H四点共面.
(2)当m=n时,四边形EFGH为平行四边形,理由如下:
当EH∥FG,且EH=FG时,四边形EFGH为平行四边形.
因为==,所以EH=BD.
同理可得FG=BD,由EH=FG,得m=n.
故当m=n时,四边形EFGH为平行四边形.
(3)证明:当m=n时,AE∶EB=CF∶FB,
所以EF∥AC,
又EH∥BD,
所以∠FEH是AC与BD所成的角(或其补角),
因为AC⊥BD,所以∠FEH=90°,
从而平行四边形EFGH为矩形,所以EG=FH.
[C级 创新练]
15.平面α过正方体ABCDA B C D 的顶点A,α∥平面CB D ,α∩平面ABCD
1 1 1 1 1 1
=m,α∩平面ABB A =n,则m,n所成角的正弦值为( )
1 1
A. B. C. D.
解析:选A.如图所示,设平面CB D ∩平面ABCD=m ,
1 1 1
因为α∥平面CB D ,则m ∥m,又因为平面ABCD∥平面A B C D ,平面
1 1 1 1 1 1 1
CB D ∩平面A B C D =B D ,
1 1 1 1 1 1 1 1
所以B D ∥m ,
1 1 1
所以B D ∥m,同理可得CD ∥n.
1 1 1
故m,n所成角的大小与B D ,CD 所成角的大小相等,即∠CD B 的大小.
1 1 1 1 1
又因为B C=B D =CD (均为面对角线),
1 1 1 1
所以∠CD B =,
1 1
得sin∠CD B =,故选A.
1 116.(2020·新高考卷Ⅰ)已知直四棱柱ABCDA B C D 的棱长均为2,∠BAD=
1 1 1 1
60°.以D 为球心,为半径的球面与侧面BCC B 的交线长为________.
1 1 1
解析:如图,连接B D ,易知△B C D 为正三角形,所以B D =C D =2.分别
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取B C ,BB ,CC 的中点M,G,H,连接D M,D G,D H,
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则易得D G=D H==,D M⊥B C ,且D M=.由题意知
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G,H分别是BB ,CC 与球面的交点.在侧面BCC B 内任
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取一点P,使MP=,连接D P,则D P= ==,连接MG,
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MH,易得MG=MH=,故可知以M为圆心,为半径的圆
弧GH为球面与侧面BCC B 的交线.由∠B MG=∠C MH=45°知∠GMH=90°,
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所以GH的长为×2π×=.
答案: