本题导读

本题考查立体几何中空间直角坐标系的建立以及线面角的求解。第一问通过正三棱柱底面正三角形的度量特征,建立标准的空间直角坐标系并写出顶点的空间坐标;第二问利用几何投影法或向量法,精确求出直线与侧面所成角的弧度值。

📌【题干】

Question

(2002年新课标卷(理)) 【甲】 如图,正三棱柱 的底面边长为 ,侧棱长为 .

(1)建立适当的坐标系,并写出点 , , , 的坐标;

(2)求 与侧面 所成的角.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问逻辑:底面 是边长为 的正三角形。取 的中点 ,则 。以 为原点,射线 方向为 轴正方向,射线 方向为 轴正方向,射线 (平行于侧棱)方向为 轴正方向建立空间直角坐标系。由此根据几何度量直接写出各点坐标。
  2. 第二问逻辑:
  • 几何法:寻找点 在侧面 上的投影。由于 且 ,故 侧面 。因此, 即为 与侧面所成的角。在直角三角形 中求解夹角。
  • 向量法:利用第一问建系坐标,求出侧面 的法向量 与直线方向向量 的夹角余弦值,进而通过诱导公式转化为线面角的正弦值进行求解。

✅【答案】

Success

(1) ,,,

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1)解:建立空间直角坐标系并确定坐标

取底面 的中点 。因为 是正三角形,所以 。 以 为坐标原点,射线 方向为 轴正方向,射线 方向为 轴正方向,过 且平行于侧棱 的射线方向为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。

在正三角形 中,边长为 ,高 。 各点在 平面及空间高度的分布如下:

  • 点 是 的中点,则 。

  • 点 的坐标为: ;

  • 点 的坐标为: ;

  • 侧棱长为 ,点 在 的正上方,高度为 ,其坐标为: ;

  • 点 的坐标为 ,点 在 的正上方,其坐标为: 。

(2)解:求 与侧面 所成的角

  • 方法一:空间几何法(推荐) 取 的中点 。在正三棱柱中,易知 。 又因为侧面 底面 ,且面面交线为 , 所以 侧面 。 连接 ,则 为直线 在侧面 上的斜射影。 因此, 即为直线 与侧面 所成的角。

在直角三角形 (其中 )中:

  • ;
  • 在直角三角形 中, ;
  • 斜边 。

则: 因为线面角 ,所以 (或 )。

  • 方法二:空间向量法 由(1)可知各点坐标,求出方向向量: 因为新系中 轴垂直于整个侧面 ,所以该侧面的一个法向量可直接写作: 设 与侧面 所成的角为 ,根据线面角计算公式: 代入代数模值计算: 综上可得: 因为 ,解得 。

答: 与侧面 所成的角为 (或 )。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:空间直角坐标系构建的对称平衡性原则;利用法向量或几何投影快速求解线面夹角。
  2. 核心方法:空间直角坐标系法、空间几何法。
  3. 避坑指南:
  • 原点随意化带来的恶性计算陷阱:第一问建系时,如果习惯性选择顶点 或 作为坐标原点,由于底面是正三角形,会导致其余顶点的横、纵坐标出现大量不规则的根号组合,大幅加重第二问的向量代数乘积负担。牢记:遇到等腰/正三角形底面,优先选择底边中点作为原点建系,可极大净化坐标分量。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:本题源于正三棱柱这一经典模型,核心考查空间直角坐标系的建立、点的坐标表示以及线面角的求法,是“几何直观+代数运算”的典型载体,体现了空间向量法处理立体几何问题的通性通法。

结论推广:设正三棱柱底面边长为 ,侧棱长为 ,则 与侧面 所成角 满足 。本题 时 ,即 ;一般地,。

方法推广:求线面角两条路径——几何法(找垂足、作射影、解直角三角形)与向量法(求方向向量与法向量,用 )。建系时优先选取“垂直于侧面的方向”为坐标轴,可使法向量直接读出,简化运算。

1. 试题探源

本题属于标准的柱体线面度量模型,源于经典立体几何教材中关于正三棱柱的基本例题改编,考查空间直角坐标系的建立与线面角的求解。

2. 结论推广

【正三棱柱线面角恒等定理】 对于任意底面边长为 ,侧棱长为 的正三棱柱 ,任意侧顶角顶点与对侧底面顶点的连线(如 )与对侧侧面(如 )所成角 的正弦值,完全独立于侧棱长 的数值变动,恒为一个几何常数:

  • 推广证明概要: 因为点 在侧面 上的投影永远是 的中点 ,所以在直角三角形 中,对边 始终为底面正三角形的高,其长度恒为 。 而无论侧棱长 如何伸缩,斜边 在 轴(垂直于侧面方向)的投影分量永远等于底面正三角形到对边的距离(即高 )。 根据正弦值的定义, ,在以侧面为基准的面外投影中,该比值经过三角投影自动消去 与 的复合项,最终精确锁死为 。因此,只要是正三棱柱,该线面角必然恒等于 。

🔗【关联脉络】

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