本题导读

本题核心考查空间线面垂直的证明以及二面角的求解。第一问利用面面垂直的性质定理进行论证;第二问利用线面垂直的性质构造二面角的平面角,通过解直角三角形求出二面角的大小。

📌【题干】

Question

(2005年全国卷III(理)) 如图,在四棱锥 中,底面 是正方形,侧面 是正三角形,平面 平面 .

(1)证明: 平面 ;

(2)求面 与面 所成的二面角的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:由底面为正方形得 ,再结合平面 平面 且交线为 ,由面面垂直的性质定理即可证明。
  2. 第二问:在平面 内作 于 ,利用第一问的结论 平面 推出 ,进而证明 平面 ,得出 即为二面角的平面角,最后在 中求解。

✅【答案】

Success

(1) 证明见解析;

(2) 面 与面 所成的二面角的大小为 (或 )。

✍【详细解析】

Abstract

(1)证明: 因为底面 是正方形,所以 。 又因为平面 平面 ,且平面 平面 , 平面 , 根据面面垂直的性质定理, 平面 。

(2)解: 在平面 内,过点 作 ,垂足为 。 由(1)知 平面 ,且 平面 ,所以 。 因为 ,且 平面 , 所以 平面 。 又因为 平面 ,所以 。 因此, 为面 与面 所成二面角的平面角。

设正方形 的边长为 ,则 。 因为侧面 是边长为 的正三角形,且 , 所以 为该正三角形的高,其长度为:

因为 平面 ,且 平面 ,所以 ,即 为直角三角形。 在 中:

所以,面 与面 所成的二面角的大小为 (或 )。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:面面垂直的性质定理、线面垂直的性质定理、二面角的几何构造与计算。
  2. 核心方法:几何构造法。
  3. 避坑指南:
  • 第一问在使用面面垂直性质定理时,必须明确写出“交线为 ”以及“ 平面 ”这两个关键前提条件。
  • 第二问中证明 为平面角时,必须完整说明 且 的推导过程。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题源于教材中关于“面面垂直的性质”与“二面角定义”的典型综合应用题,属于传统几何法(作、证、算)解决空间角的标准模板。
  2. 结论推广:在四棱锥 中,若底面 为矩形,侧面 为任意三角形且平面 底面,则侧棱 恒垂直于侧面 ;此时面 与面 所成二面角的正切值等于 与 到 的距离之比。

🔗【关联脉络】

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