本题导读

本题考查空间线面位置关系、空间距离的最值以及二面角的计算。核心意图在于测试学生利用平面垂直的条件建立空间直角坐标系,将空间几何问题转化为向量运算,并结合二次函数与法向量求解空间最值和二面角的能力。

📌【题干】

Question

(2002年大纲卷(理)) 如图,正方形 、 的边长都是 1,而且平面 、平面 互相垂直.点 在 上移动,点 在 上移动,若 .

(1) 求 的长;

(2) 为何值时, 的长最小;

(3) 当 的长最小时,求面 与面 所成二面角 的大小.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 第一步(建系立标):由正方形 和 共享边 ,且平面 平面 ,可得 且 平面 。以 为原点, 分别为 轴正方向建立空间直角坐标系。
  2. 第二步(表示动点坐标):正方形对角线长为 。利用向量共线关系,将动点 和 的坐标用参数 表示,应用两点间距离公式构建关于 的一元二次函数求解 (1) 和 (2)。
  3. 第三步(计算二面角):当 最小时求出对应点坐标。分别求出平面 和平面 的法向量,利用法向量夹角公式计算二面角的大小。

✅【答案】

Success

(1)

(2) 当 时, 最小,最小值为

(3)

✍【详细解析】

Abstract

(1) 求 的长

因为平面 平面 ,且 , 平面 , 所以 平面 。又 平面 ,故 。 由此可知 两两互相垂直。

以 为坐标原点, 的方向分别为 轴正方向建立空间直角坐标系。 则各相关顶点的坐标为:

正方形对角线 。 由于 ,而 ,故 ,可得: 由于 ,由 ,可得:

利用空间两点间距离公式计算 (注意 、 的横坐标相同,第一项为 ):

故 的长为:

(2) 为何值时, 的长最小

由上式,当 时 取得最小值 。 因为 ,属于参数 的取值范围, 所以当 时, 的长度最小,最小值为 。

(3) 求面 与面 所成二面角 的大小

当 的长最小时,。代入 坐标得:

取 的中点 ,则 而 ,算得 、,即 、。 故 就是二面角 的平面角。

余弦为负,故二面角为钝角:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:空间直角坐标系的建立与点坐标表达;利用法向量求解二面角。
  2. 核心方法:坐标向量法、二次函数配方法。
  3. 避坑指南:
  • 二面角判锐钝不能想当然:本题算出 , 又是货真价实的平面角(、),故二面角就是钝角 。取绝对值只对”两平面所成的角”(范围 )成立;二面角的范围是 ,负号不能抹。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题为标准的高考立体几何压轴题,重点考查空间向量法在处理动态动点问题中的建模优势。
  2. 结论推广: 对于两个相互垂直且共享边长为 的正方形平面,其对角线上相向运动的动点间距离平方,均可写成标准的一元二次递增或递减函数 。通过求偏导或配方确定驻点,能将这类复杂的空间动态追及最值问题转化为基础的一元解析问题。

🔗【关联脉络】

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