本题导读
本题考查线面垂直的性质与判定、异面直线所成的角。核心在于几何综合法、空间向量法(建系法)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(1997年全国卷(理)) 如图,在正方体 中, 分别是 的中点.
(1)证明:;
(2)求 与 所成的角;
(3)证明:面 面 ;
(4)设 ,求三棱锥 的体积.
🔍【思路分析】
破题导航
第(1)问:利用正方体的性质,证明 平面 ,从而利用线面垂直的性质得出 。 第(2)问:可建立空间直角坐标系,通过计算向量 与 的夹角余弦值,从而求得异面直线所成的角。 第(3)问:在面 内找一条直线,或通过向量法证明两个平面的法向量互相垂直。 第(4)问:三棱锥 的体积直接以 为顶点不易求高,可利用等体积法转化为 。
✅【答案】
Success
(1)证明见解析;(2);(3)证明见解析;(4).
✍【详细解析】
Abstract
以 为原点, 的方向分别为 轴、 轴、 轴的正方向建立空间直角坐标系。 设正方体的棱长为 ,则各点坐标为: , 。 因为 分别是 的中点,所以 。
(1)证明:
由坐标可得:,。 所以 。
(2)求 与 所成的角
由坐标可得:,。 所以 ,即 与 所成的角为 。
(3)证明:面 面
分别求出两个平面的法向量,证明两个法向量互相垂直:
设平面 的法向量为 。 ,。 由 ,令 ,得 。
设平面 的法向量为 。 ,。 由 ,令 ,得 。
计算两个法向量的内积: 因为 ,所以面 面 。
(4)求三棱锥 的体积
当 时,正方体棱长为 。 利用等体积法进行转换:。
求底面 的面积: 在 Rt 中,。 又由第(1)问知 平面 ,所以 。 。
求高 (即点 到平面 的距离): 点 ,平面 过点 ,法向量 。 。
计算体积:
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点:线面垂直、面面垂直的判定与性质,异面直线夹角公式,三棱锥的等体积转换。 核心方法:空间直角坐标系法(将复杂的空间位置推导和动态高线寻找,平铺转化为坐标加减和向量内积运算)。 避坑指南:
- 异面直线所成的角取值范围是 ,向量夹角可能为钝角,最后记得求绝对值。
- 计算三棱锥体积时,切忌硬找 到平面 的距离,用等体积法换底是立体几何常规策略。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:本题出自教材中正方体截面及空间线面关系的核心经典推演题。此类题目既考查了传统的立体几何“形”的逻辑,也为后面全面推行空间向量“数”的解法提供了绝佳的范式。 结论推广:在棱长为 的正方体中,若 分别是平行侧棱和底面边长的中点,则由两中点关联出的特定平面间具有天然的垂直特征,其对应截面体体积往往呈现为正方体体积的固定比例(如本题体积为 )。
🔗【关联脉络】
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