本题导读
本题考查四棱锥中的空间几何垂直证明与线面角的计算。由于底面为直角梯形且侧棱垂直于底面,图形中存在天然的两两垂直边界,通过建立空间直角坐标系可将线线垂直、线面角完全转化为向量代数运算。
📌【题干】
Question
(2006年浙江卷(理)) 如图,在四棱锥 中,底面为直角梯形, 底面 ,且 分别为 的中点.
(1) 求证: ;
(2) 求 与平面 所成的角.
🔍【思路分析】
破题导航
建立空间直角坐标系:由 底面 , ,可知 两两垂直。以 为坐标原点,射线 分别为 轴、 轴、 轴正方向建立空间直角坐标系。 设定长度写出各点坐标:设 ,则 。结合中点公式写出 等核心质点的坐标。 向量法求解:
- 第一问:计算向量 与 的坐标,证明它们的数量积 ,即可论证线线垂直。
- 第二问:先求出平面 的一个法向量 ,计算 与法向量 夹角的余弦值,利用线面角公式 求解。
✅【答案】
Success
(1)证明见解析;(2).
✍【详细解析】
Abstract
解:因为 平面 , ,所以 。 以 为原点,射线 方向分别为 轴、 轴、 轴正方向建立空间直角坐标系 。
设 ,则由题意得 。 各顶点坐标为: 因为 , 且 , 结合直角梯形特征可得点 的坐标为:
由于 分别为 的中点,由中点坐标公式得:
(1)证明:写出相关向量的直角坐标:
计算这两个向量的数量积: 因为数量积为 0,所以 。 即:
(2)解:由各点坐标写出平面 内的两个向量: 设平面 的一个法向量为 。 则满足: 由第一式解得 ;由第二式可令 ,则 。 因此, 平面 的一个有效法向量为:
写出直线方向向量 的坐标: 计算方向向量 与平面法向量 夹角的余弦值:
设直线 与平面 所成的角为 ()。 根据线面角定理:
所以, 与平面 所成角的大小为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:直角梯形与垂直侧棱背景下的坐标建系、线线垂直的向量点积判据、线面角的法向量投影计算通式。
- 核心方法:空间向量直角坐标法。
- 避坑指南:
- 确定点 坐标时务必仔细。因为 且 , (即 轴方向),所以 的横坐标随 为 2,纵坐标由于长度变为 1。切勿因习惯性把直角梯形的高当成底而写错坐标。
- 线面角的正弦值对应法向量夹角的余弦值的绝对值( )。最后一步切勿记错三角函数名。
📖【试题探源与推广】
Tip
因此cos θ= √35,即θ= arcsin √25
🔗【关联脉络】
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