本题导读
本题考查斜棱柱中的线面角、线面平行与外接球,核心在于由侧棱相等定射影位置、用基底法证平行、用方程法求球半径。
📌【题干】
Question
(2005年天津卷(文)) 如图,在斜三棱柱 中,,,,侧面 与底面 所成的二面角为 ,、 分别是棱 , 的中点.
(1) 求 与底面 所成的角;
(2) 证明 平面 ;
(3) 求经过 ,,, 四点的球的体积.
🔍【思路分析】
破题导航
- 由 、、 公共得 ,。设 在底面射影为 ,则 , 为 外心。
- 二面角 的补角即 与底面所成角,。
- (2) 设 、、,则 ;,方向平行于平面 ,再证 不在平面内(系数矛盾)即得平行。
- (3) 球心 在过 垂直底面的直线上,、, 与 联立解 ,,。
✅【答案】
Success
(1) ;(2) 证明见解析;(3)
✍【详细解析】
Abstract
由 ,且 ,在三角形 与 中使用边角边判定,得 . 设 为点 在底面 内的射影,则 平面 .因为 ,所以 ,即 为三角形 的外心. (1)在过 且垂直于 的截面内,二面角的平面角为 ,其补角就是直线 与底面所成的锐角,因此 .在直角三角形 中,,.所以 与底面 所成的角为 . (2)设 ,,.由棱柱的平移关系,,且 是 的中点,因此 .另一方面, 是 的中点,所以 ,. 于是 .左端是平面 内两个向量的和,所以直线 的方向平行于平面 .若 在平面 内,则存在实数 ,使 .比较 、、 的系数,先得 ,再得 ,矛盾.因而 平面 ,故 平面 . (3)设所求球的球心为 ,半径为 .因为 ,, 在底面内,且 是三角形 的外心,所以球心 在过 且垂直于底面的直线上;又 在该直线上.设 ,取从底面指向 的方向为正方向,则 ,.由 ,分别在两个直角三角形中列式: , . 两式相等,得 ,解得 .因此 ,. 所求球的体积为 .
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点:斜棱柱线面角与外接球
核心方法:外心定位作高,向量基底证平行,轴截面求球
避坑指南: 得 在底面的射影是 外心,;设 基底表示证 平面 ;球心在过外心垂直底面的直线上, 联立得 ,
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:斜棱柱综合:线面角 + 线面平行 + 外接球
结论推广:等长侧棱射影为外心是定型结论;基底向量证平行避免建系;轴截面直角三角形定球半径
方法推广: 射影为 外心,直棱柱/正棱柱同理迁移;外接球半径用 联立解
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