本题导读

本题核心考查三棱锥的空间位置关系与度量。第一问利用中位线定理证明线面平行;第二、三问通过建立空间直角坐标系,将线面角和射影重心问题转化为向量的运算与代数求解。

📌【题干】

Question

(2005年浙江卷(理)) 如图,在三棱锥 中, , ,点 、 分别是 、 的中点, 底面 .

(1)求证: 平面 ;

(2)当 时,求直线 与平面 所成角的大小;

(3)当 取何值时, 在平面 内的射影恰好为 的重心?

🔍【思路分析】

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  1. 第(1)问:在 中, 分别是 的中点,可直接利用三角形中位线定理证得 ,进而得出线面平行。
  2. 建系准备:因为 平面 ,且底面 中 , 为斜边 的中点。设 ,则在底面内可以过 作两直角边的平行线,配合 轴建立空间直角坐标系。
  3. 第(2)问:设定 ,利用勾股定理求出 的高。写出各点坐标及平面 的法向量,用向量夹角公式求解线面角。
  4. 第(3)问:设 在平面 内的射影为 。 平面 与平面 的法向量平行。同时 为 的重心 的坐标等于 三点坐标的算术平均值。联立两条件解出 。

✅【答案】

Success

(1)OD∥平面PAB;(2)若θ为所成角,则sinθ= \frac{\sqrt{210}}{30};(3)k=1.

✍【详细解析】

Abstract

(1)证明:求证 平面

在 中, because 点 、 分别是 、 的中点, 故 是 的中位线, 所以 。

又 because 平面 ,且 平面 , 故 平面 。

空间直角坐标系的建立

设 。以 为原点, 所在直线为 轴, 所在直线为 轴,过 作底面的垂线为 轴。 则底面各点坐标为: , , 。

because 是 的中点,由中点坐标公式得: 。 设 点的纵坐标为 (), because 平面 ,所以 。

在 Rt 中, , 则 。

(2)解:当 时,求直线 与平面 所成角的大小

当 时, 。 代入关系式: 。

此时各关键点坐标为: , , , 。

设平面 的法向量为 。 because , ,

依据 且 得:

取 ,得 。

设直线 与平面 所成的角为 ,则:

故直线 与平面 所成角的大小为 。

(3)解:当 取何值时, 在平面 内的射影恰好为 的重心?

设 的重心为 。根据重心坐标公式:

故重心坐标为 。

若 在平面 内的射影恰好为 ,则必有 平面 。 计算向量 :

因为 平面 ,且 ,显然 恒成立。 还需要满足 :

将 代入前面的 表达式中:

依据已知条件 , 因为 ,故解得:

故当 时, 在平面 内的射影恰好为 的重心。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面平行的性质转换、空间直角坐标系的建立、平面法向量求解、空间三角形重心坐标系表达。
  2. 核心方法:全坐标建系代数化分析法。
  3. 避坑指南:在第三问中,很多同学容易被“射影为重心”的复杂几何描述所迷惑。通过空间坐标系,将“射影”转化为向量垂直关系,将“重心”转化为三点坐标平均值,可以大幅降低思维难度,避免纯几何法作图寻找交点的繁琐过程。

📖【试题探源与推广】

Tip

变式练习:将向量条件改为模长或夹角已知,用数量积坐标运算反求参数,体会向量代数的通性通法。

🔗【关联脉络】

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