本题导读
本题考查直二面角转化线面垂直、等腰直角三角形三维建系、点到平面的射影向量公式。核心在于直二面角转化与建系求角距离。
📌【题干】
Question
(2005年福建卷(理)) 20. 如图,直二面角 中,四边形 是边长为 2 的正方形, , 为 上的点,且 .
(1) 求证: ;
(2) 求二面角 的大小;
(3) 求点 到平面 的距离.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问:
- 。
- 二面角 是直二面角,且正方形中 。
- 结合 ,利用线面垂直判定定理即证。
- 第二问:
- 由 ,可知 是等腰直角三角形。
- 以 为原点, 分别为 轴。过 作平面 的垂线(平行于 )为 轴建立空间直角坐标系。
- 写出各点坐标,求出平面 (即平面 )与平面 的法向量,利用向量夹角公式求解。
- 第三问:
- 利用点到平面的距离公式 求解,其中 为平面 内的任意已知点, 为平面 的法向量。
✅【答案】
Success
建立空间直角坐标系,取A=(0,0,0),B=(2,0,0),D=(0,2,0),
✍【详细解析】
Abstract
解:
(1) 证明: ,且 , 二面角 为直二面角,且四边形 是正方形, , ,且 ,
(2) 求二面角 的大小 由 (1) 知 ,则 。 , 是以 为直角的等腰直角三角形。 , 。
以 为原点,射线 为 轴正方向,射线 为 轴正方向,过 在平面 内作 的垂线为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。 在 Rt 中, 在 平面上的投影为 的中点 ,其高为 1。
各关键顶点坐标为:
平面 的法向量: 平面 即为 平面,其法向量可取为:
平面 的法向量: 设平面 的法向量为 : 取 。
计算二面角大小: 设二面角 的平面角为 (由图知其为锐角): 故二面角 的大小为 。
- (3) 求点 到平面 的距离 由 (2) 可知,平面 经过点 ,其法向量为 。 计算向量 :
则点 到平面 的距离 为:
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:直二面角转化线面垂直、等腰直角三角形三维建系、点到平面的射影向量公式。
- 避坑指南:
- 第二问确定点 的坐标时需谨慎。由于 位于与底面垂直的侧面上,且 为直角,点 在棱 上的投影刚好是 的中点。切勿将 的纵坐标直接当成 0 或 2。
📖【试题探源与推广】
Tip
变式练习:将几何体的边长或位置关系改变,用几何法或建系法重新求解空间角、距离与体积。
🔗【关联脉络】
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