本题导读

本题核心考查立体几何中异面直线所成角正切值的求解。通过构造平行线将异面直线夹角转化为同一个三角形内的平面角,再结合线面垂直的性质确定直角三角形进行求解。

📌【题干】

Question

(2005年天津卷(理)) 如图, 平面 , 且 ,则异面直线 与 所成角的正切值等于.

🔍【思路分析】

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  1. 方法一(几何平移法):在底面 中,过点 作 且 ,连接 。则 (或其补角)即为异面直线 与 所成的角。在所构造的三角形中计算其正切值。
  2. 方法二(线面垂直法):直接观察可证明 平面 吗?不,是 。可以考虑补形,将三棱锥补成一个长方体,通过长方体的棱与对角线快速找到平行关系。
  3. 方法三(空间向量法):以 为坐标原点建立空间直角坐标系,通过计算向量 与 的夹角余弦值,进而转化为正切值。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

方法一:几何平移法 在平面 内,过点 作 ,且取 。 连接 。 因为 ,所以根据异面直线所成角的定义,直线 与 所成的角即为直线 与 所成的角,即 (或其补角)。

因为 平面 ,且 平面 ,所以 。 又在直角梯形或矩形构造中,由 且 可知, ,即 。 因为 ,且 平面 , 所以 平面 。

由于 平面 ,所以 ,即 是以 为直角的直角三角形。 注:上述垂直结论说明 ,这意味着 与 (即 )相互垂直,则它们所成的角为 。由于 的正切值不存在,我们需要重新审视平移线选择。

重新修正平移线选择(标准方法): 过点 作 且 (即前文的 )。 由于 ,且 , 所以四边形 为正方形。 连接 。异面直线 与 所成的角即为 。

因为 平面 , 平面 ,所以 。 在 Rt 中, , , 由勾股定理得: 。

在 Rt 中, , 。 由勾股定理得: 。

在 中,三边长分别为: , , 。 因为 , 根据勾股定理逆定理可知, 是以 为直角的直角三角形。

所以在 Rt 中,异面直线所成角 的正切值为:

方法二:空间向量法 以 为坐标原点, 为 轴, 为 轴,过 且平行于 的方向为 轴,建立空间直角坐标系 。 则各点坐标为: , , , 。

相应向量的坐标为:

设 为向量 与 的夹角,则: 由于 ,异面直线所成角也就是该向量夹角,即 。 根据三角恒等式 ,得 。 则正切值为:

故答案为: 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:异面直线所成角的平移构造、空间向量夹角公式与三角函数转换。
  2. 核心方法:补形/平移法、建系向量法。
  3. 避坑指南:利用平移法求出三角形三边后,务必使用余弦定理或勾股定理逆定理判定哪一个角才是直角(本题中直角在 处,斜边为 ),避免因主观误判直角位置导致正切比值颠倒。

📖【试题探源与推广】

Tip

1.试题探源: 本题是墙角模型(墙角三条棱两两垂直的外展墙面)的变体应用,属于高考中考查立体几何降维转化能力的常规中档填空题。 2.结论推广: 在由共侧棱两两垂直演化而来的三棱锥 (若 面 且 )中,若 ,则任意侧斜棱与底面相对棱的夹角余弦值恒为 ,正切值恒为 。

🔗【关联脉络】

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