本题导读
本题考查线面垂直性质的链式传递、平面法向量的解析求解、异面直线夹角的向量判定。核心在于建系坐标法、代数消元法。
📌【题干】
Question
(2005年北京卷(理)) 16. 如图,在直四棱柱 中, , , , , ,垂足为 .
(1) 求证: ;
(2) 求二面角 的大小;
(3) 求异面直线 与 所成角的大小.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问(线线垂直证明):利用直四棱柱性质,侧棱 底面 。结合已知 ,通过线面垂直判定定理证明 平面 ,从而推得 。
- 定量化简底面几何结构:在底面四边形 中, 是直角三角形,由 易知 。利用 进一步求出 以及底面各点的相对位置,为建系做准备。
- 空间向量建系法(处理第二、三问):
- 以 为原点,射线 方向分别为 轴正方向,过 作底面的垂线为 轴正方向建立空间直角坐标系。
- 第二问:分别算出平面 与平面 的法向量,利用夹角公式计算二面角。
- 第三问:求出向量 与 的坐标,利用向量夹角公式计算异面直线夹角。
✅【答案】
Success
(1) 证明见解析; (2) ; (3) (即 的反余弦).
✍【详细解析】
Abstract
(1) 证明:
在直四棱柱 中,侧棱 底面 。 平面 , 。
又已知 ,且 , 平面 。 根据线面垂直的判定定理:
平面 , 。
底面几何结构的定量计算
在底面四边形 中, , , 。 在直角 中,由勾股定理及三角函数:
且垂足为 , 在直角 中: 由此可得:
在直角 中,已知 , :
建立空间直角坐标系
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 平行于侧棱 的方向为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。
各相关点的坐标确定为:
, ,
,
,
(2) 求二面角 的大小
由第(1)问可知 ,且 为二面角的棱。 平面 , 平面 , 且 。 故 (或其补角)即为二面角 的平面角。
由于 轴且 ,同理可得该二面角各个面上垂线的方向向量。我们直接采用法向量法:
求平面 的法向量 : , , 在 轴上。 。 设 ,则:
求平面 的法向量 : 。 设 ,则:
计算两法向量的点积:
因为法向量数量积为 0,说明两平面互相垂直。 所以,二面角 的大小为 。
(3) 求异面直线 与 所成角的大小
根据各点坐标,求出两异面直线的方向向量:
计算向量的模长与数量积:
设异面直线 与 所成的角为 ,则:
(纠偏说明:依据精细数理解析,两向量在标准坐标系下的代数关系给出余弦精确值为 。)
用反三角函数表示:
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点:线面垂直性质的链式传递、平面法向量的解析求解、异面直线夹角的向量判定。 核心方法:空间直角坐标系法(代数消元法)。
避坑指南:
- 空间坐标原点的选择至关重要。本题底面中 提供了现成的直角交点 ,以 为原点建系可以保证所有点的坐标形式最简。切勿盲目选择 或 点建系,否则底面非矩形会导致基底向量不垂直,无法使用常规的空间直角坐标公式。
📖【试题探源与推广】
Tip
变式练习:将向量条件改为模长或夹角已知,用数量积坐标运算反求参数,体会向量代数的通性通法。
🔗【关联脉络】
Multi column
