本题导读

本题考查线面平行的判定与二面角的求解。第一问通过取中点构建平行四边形,利用线线平行推导线面平行;第二问利用正方形和垂直棱的特质建立空间直角坐标系,利用平面法向量的夹角计算二面角的大小。

📌【题干】

Question

(2007年大纲卷II(理)) 如图,在四棱锥 中,底面 为正方形,侧棱 底面 , 分别是 的中点.

(1) 求证: 平面 ;

(2) 设 ,求二面角 的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:
  • 取 的中点 ,连接 。
  • 在 中, 是 的中点, 是 的中点,由中位线定理得 且 。
  • 底面 为正方形, 是 的中点,故 且 。
  • 从而有 且 ,说明四边形 为平行四边形 。
  • 由线面平行判定定理得证。
  1. 第二问:
  • 以 为坐标原点,射线 的方向分别为 轴正方向建立空间直角坐标系。

  • 设 ,则 。写出各顶点坐标,求出 。

  • 分别求解平面 与平面 的法向量,利用点积公式计算二面角的余弦值。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

解:(1)证明:取侧棱 的中点 ,连接 与 。

在 中,因为 为 的中点, 为 的中点, 根据三角形中位线定理,可得: 因为底面 是正方形,且 是 的中点,所以: 从而有: 根据平行四边形的判定定理,四边形 是平面内的平行四边形。 所以: 因为 ,且 , 根据线面平行的判定定理,可得:

(2)解:因为底面 为正方形,所以 。又侧棱 底面 ,故 。 以 为坐标原点,射线 的方向分别为 轴、 轴、 轴的正方向,建立空间直角坐标系 。

设正方形边长 ,则根据已知条件 。 相关关键顶点的直角坐标分别为: 因为 分别是 的中点,由中点坐标公式求得:

计算各相关向量的坐标:

  • 第一步:求解平面 的法向量 令 ,解得 。 故平面 的一个法向量为: 。

  • 第二步:求解平面 的法向量 令 ,解得 。 故平面 的一个法向量为: 。

  • 第三步:计算两面法向量的夹角余弦值

观察图形可知,二面角 为钝二面角, 所以其余弦值为负:

故二面角 的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:空间中位线平行平移转化、直角坐标建系与法向量公式 。
  2. 核心方法:空间向量法。
  3. 避坑指南:
  • 最终确定二面角大小时,必须结合三维几何图形肉眼判定其是锐角还是钝角。法向量夹角公式计算出的是绝对值方向,由图可见平面 与平面 张开呈钝角角域,故最终结果需取负值。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题考查线面平行的判定定理、空间直角坐标系的构建,是大纲卷II(理)解答题的高频命题方向,同型题见下方类题演练。
  2. 变式思考:本题的核心步骤(几何中点转化法、空间向量坐标法)可迁移到同类问题——若改变题设条件(如更换数值或几何对象),解法框架不变,重在把握「条件→目标」的转化路径。
  3. 知识关联:线面平行的判定定理、空间直角坐标系的构建相互关联,解答中综合运用了几何中点转化法、空间向量坐标法,建议结合知识锚点中的对应专题系统梳理。

🔗【关联脉络】

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