本题导读
本题考查由线线垂直向线面垂直的转化推导、空间直角坐标系法向量夹角计算。核心在于线线垂直推线面垂直与建系求二面角。
📌【题干】
Question
(2005年广东卷) 16. 如图所示,在四面体 中,已知 . 是线段 上一点, ,点 在线段 上,且 .
(1) 证明: ;
(2) 求二面角 的大小.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第 (1) 问:
- 已知 ,要证 ,只需再证 。
- 在 中,已知三边 ,利用余弦定理算出 。
- 在 中,通过边角关系或利用直角三角形射影定理验证当 为特定长时是否满足 。
- 第 (2) 问:
- 观察 三边: ,满足 。
- 观察 三边: 。
- 结合第一问的垂直关系,适合建立空间直角坐标系。以 为原点, 为 轴, 为 轴建立坐标系,通过求平面 和平面 的法向量来计算二面角。
✅【答案】
Success
(1) 证明见解析;
(2) 。
✍【详细解析】
Abstract
解:
- (1) 证明: 在 中, 。 由余弦定理可得:
在 中,由正弦定理或高线投影性质: 若过 作 于 ,则: 已知条件给定 ,这说明点 与垂足 重合。 且 , ,
- (2) 求二面角 的大小 。 。 ,但 同时垂直于 和 。
在 中, 。 。 , 。
以 为原点,射线 分别为 轴、 轴正方向,过 作平面 的垂线为 轴正方向建立空间直角坐标系 。 则各点坐标为:
由 (1) 知 ,且 。 点 的坐标可通过定比分点或向量投影求得:
, 即为平面 的一个法向量 。 平面 即为平面 (即 平面),其法向量可取为 。
设二面角 的平面角为 :
故二面角 的大小为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:由线线垂直向线面垂直的转化推导、空间直角坐标系法向量夹角计算。
- 避坑指南:
- 寻找原点建系时需通过勾股定理严格论证。本题中 是通过 、 和 的三组勾股定理逆定理互证出来的。只有确定了 ,才能保证从 点引出的 轴与 轴完全正交。
📖【试题探源与推广】
Tip
变式练习:将角或系数推广,用辅助角公式与诱导公式化简后求周期、值域与最值。
🔗【关联脉络】
Multi column
