本题导读

本题考查空间线面垂直的判定与性质。核心在于空间直角坐标系法、几何量推导法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2004年全国卷I(理)) 如图,已知四棱锥 ,,侧面 为边长等于 2 的正三角形,底面 为菱形,侧面 与底面 所成的二面角为 .

(1) 求点 到平面 的距离;

(2) 求面 与面 所成二面角的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 取 中点 ,连结 。证明 ,进而得到 为二面角的平面角,即 。
  2. 在平面 内作 于 ,则 为点 到平面的距离。解三角形 即可。
  3. 以 为原点建立空间直角坐标系,求出各点坐标。
  4. 分别求出平面 和平面 的法向量,利用向量夹角公式求出二面角的余弦值。

✅【答案】

Success

(1)

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1) 取 的中点 ,连接 。 因为 是边长为 2 的正三角形,所以 ,且 。 因为 ,,所以 。 因为 ,所以 。 故 是侧面 与底面 所成二面角的平面角,。 在平面 内,作 交 的延长线于 。 因为平面 ,平面 ,, 所以 , 的长即为点 到平面 的距离。 在 中,,, 。 所以,点 到平面 的距离为 。

(2) 以 为坐标原点,直线 在平面 内的垂线分别为 轴,建立空间直角坐标系 。 由(1)知 ,则 。 ,。 因为底面 为菱形,,在 中,,则 。 ,,则 。 。 设平面 的法向量为 , 取 ,得 ,,所以 。 ,。 设平面 的法向量为 , 取 ,得 ,,所以 。 。 由图可知面 与面 所成二面角为锐角, 所以二面角的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直定理应用;向量法求二面角。
  2. 核心方法:坐标系法。
  3. 避坑指南:建立坐标系时,务必注意点 在 轴上的投影位于负半轴,其纵坐标为 ,容易错写为正值导致后续计算全错。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 线面垂直的判定与二面角的平面角,出自立体几何”直线与平面、平面与平面”的综合题。
  2. 结论推广: 求二面角归结为作其平面角,常借助线面垂直或等腰三角形的三线合一;求点到平面的距离,除直接作垂线外,还可用等体积法转化。

🔗【关联脉络】

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