本题导读
本题考查直线与平面平行的判定。核心在于传统几何证明与求角法、空间向量建系法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2004年天津卷(理)) 如图,在四棱锥 中,底面 是正方形,侧棱 底面 , , 是 的中点,作 交 于点 .
(1) 证明: 平面 ;
(2) 证明: 平面 ;
(3) 求二面角 的大小.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问(几何法):连接 交 于点 ,连接 。利用正方形的对角线平分性质以及 是 的中点,推导 为 的中位线,进而有 ,从而证明线面平行。
- 建系准备:由于 两两垂直,以 为原点建立空间直角坐标系 。设 ,写出各顶点坐标。
- 第二问(向量法):求出 的方向向量,以及平面 内的两个不共线向量(如 或 ),证明 且 (或直接利用 )即可。
- 第三问(向量法):分别求出平面 与平面 的法向量,利用法向量夹角公式计算出二面角的余弦值,进而确定二面角的大小。
✅【答案】
Success
(1) 证明见解析
(2) 证明见解析
(3) (或 )
✍【详细解析】
Abstract
解:
(1) 证明: 平面
连接 交 于点 ,连接 。 因为底面 是正方形,所以点 是 的中点。 在 中,点 是 的中点,点 是 的中点, 所以 是 的中位线,从而有: 又因为 平面 ,且 平面 , 根据线面平行的判定定理, 平面 。
建系与坐标化
因为侧棱 平面 ,底面 是正方形, 所以 两两互相垂直。 以 为坐标原点,射线 的方向分别为 轴、 轴、 轴的正方向,建立空间直角坐标系 。 设 ,则正方形边长为 2。 各关键点的坐标为: 因为 是 的中点,由中点坐标公式得:
(2) 证明: 平面
根据点坐标可得相关向量: 计算其数量积: 所以 。
又已知题设条件中: 且 , 平面 。 根据线面垂直的判定定理,直线 平面 。
(3) 求二面角 的大小
由第 (2) 问结论可知, 平面 , 所以 ,且 。 因此, 即为二面角 的平面角(或其补角)。
下面采用法向量法求解:
平面 的法向量: 由第 (2) 问可知 平面 ,且 平面 ,故 。 同时 向量为 。 由 平面 可知,平面 的一个法向量即为平面 内垂直于 的向量。 这里我们直接计算平面 与平面 的法向量。
设平面 的法向量为 : 由 令 ,得 。
平面 的法向量: 设平面 的法向量为 : 由 令 ,得 。
计算法向量夹角的余弦值:
结合图形分析,二面角 的平面角为锐角,因此其对应的余弦值为 。
答:二面角 的大小为 (或 )。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:中位线法证线面平行、线面垂直的向量判定(数量积为 0)、法向量求解二面角。
- 核心方法:空间向量建系代数化法。
- 避坑指南:
- 在使用法向量求二面角时,切勿盲目把法向量夹角直接当成最终答案。求出余弦值后,必须回看几何原图,判定该二面角是锐角还是钝角。本题中由于侧面倾斜形态,二面角为锐角,故取正值 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 经典高考立体几何大题,集平行、垂直、建系求角于一体,是传统高考试卷的标配。
- 结论推广: 对于任何含有两两垂直侧棱的锥体(如墙角模型),建立空间直角坐标系是跨越时空思维障碍最稳定的“工业解法”。设两平面法向量分别为 ,则二面角 的余弦值绝对值恒满足 。
🔗【关联脉络】
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