本题导读
本题考查空间直角坐标系的建立。核心在于空间向量坐标代数法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2004年广东卷(理)) 如图,在长方体 中,已知 , 分别是线段 上的点,且 .
(1) 求二面角 的正切值;
(2) 求直线 与 所成角的余弦值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立坐标系:以 为坐标原点,射线 分别为 轴的正方向建立空间直角坐标系 。
- 写出顶点坐标:根据长方体的结构特征和已知线段长度,确定 的空间坐标。
- 第一问逻辑:平面 (即底面 )的一个法向量显然为 。求出平面 的法向量 ,利用两法向量的夹角余弦值推出二面角的余弦值,进而通过同角三角函数关系求出正切值。
- 第二问逻辑:写出向量 与 的坐标表示,套用空间向量夹角公式 计算出异面直线所成角的余弦值。
✅【答案】
Success
(1)
(2)
✍【详细解析】
Abstract
建立空间直角坐标系与坐标设定: 以 为原点,射线 分别为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。 已知 (即 ),,(即 )。 因为 ,故点 的坐标为 。 因为 ,故点 的坐标为 。 由此写出各相关顶点的坐标:
(1)求二面角 的正切值: 易知平面 即为底面 ,其一个标准向上法向量为:
设平面 的法向量为 。 计算平面内的两个不共线向量: 根据法向量垂直于平面内所有向量的性质,建立方程组: 取 ,解得 。 故平面 的一个法向量为:
设两法向量 与 的夹角为 ,则: 观察图形可知,二面角 为锐二面角,记为 。则 。 根据同角三角函数平方关系: 则其正切值为:
二面角 的正切值为 。
(2)求直线 与 所成角的余弦值: 确定两异面直线的方向向量坐标: 计算两向量的内积(点积)与各自的模长:
设直线 与 所成的角为 ,根据异面直线所成角的定义(范围为 ):
直线 与 所成角的余弦值为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间直角坐标系的建立、平面法向量的代数方程组解法、空间向量夹角公式在空间度量问题中的应用。
- 核心方法:空间向量坐标法。
- 避坑指南:
- 写顶点坐标时极易因看错原点和轴向导致数值错误。如本题中 点的横坐标是 ,纵坐标需要用总长 减去 得到 ,必须要仔细核验长方体各对应棱的长。
- 最终结论输出时需注意所求的三角函数类型。第一问求的是正切值 ,利用向量法直接求出的是法向量夹角的余弦值,必须进行弦值转换,切勿直接将余弦值作为最终答案。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 空间直角坐标系的建立与法向量求二面角,考查向量法解立体几何。
- 结论推广: 用向量法求二面角,先建系求出两平面的法向量,二面角的大小由两法向量夹角(或其补角)确定,需结合图形判断锐钝。
🔗【关联脉络】
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