本题导读

本题考查空间位置关系的证明与线面角的求解。第一问通过等腰直角三角形中线的性质证明线线垂直,进而结合线面垂直判定定理推出面面垂直;第二问通过建立以 为原点的空间直角坐标系,利用法向量和方向向量的夹角建立关于变量 的三角函数关系式,从而锁定线面角的取值范围。

📌【题干】

Question

(2007年湖北卷(理)) 如图, 在三棱锥 中, 底面 , , 是 的中点, 且 , .

(1) 求证: 平面 平面 ;

(2) 当角 变化时, 求直线 与平面 所成的角的取值范围.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:证明面面垂直:
  • 欲证平面 平面 ,只需证平面 内有一条直线垂直于平面 。
  • 考虑底面 为等腰直角三角形, , 是 的中点 。
  • 又 底面 。
  • 结合 ,推出 平面 。从而面面垂直得证。
  1. 第二问:求线面角取值范围:
  • 建立空间直角坐标系。以 为原点, 分别为 轴。

  • 由 ,可得 ,故 。

  • 在 Rt 中, 。

  • 写出各点坐标,求出平面 的法向量 。

  • 计算直线 的方向向量 与法向量 夹角余弦的绝对值,其值等于线面角正弦值 。分析该三角函数随着 变化的值域范围。

✅【答案】

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(1)平面𝑉𝐴𝐵⟂平面𝑉𝐶𝐷.(2)直线𝐵𝐶与平面𝑉𝐴𝐵所成的角的取值范围为(0,π4).

✍【详细解析】

Abstract

解:(1)证明: 因为 , 且 是 的中点, 所以 为等腰三角形, 顶角平分线与中线合一:

又因为 底面 , 且 底面 , 根据线面垂直的性质:

在平面 内部, 直线 与 为相交直线( ), 根据线面垂直的判定定理, 可得直线 严格垂直于整个平面 : 由于直线 平面 , 依据面面垂直判定定理:

(2)因为 , 且 底面 , 相互之间具备天然的三轴直交特征。 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 。 已知 , 则底面各点坐标为: 因为 是 的中点, 由中点坐标公式得: 计算线段 的长度为:

在直角 中, , 可求出侧棱 的高度: 由此写出顶点 的空间坐标:

下面求解平面 的一个法向量 : 写出平面内的两个边向量坐标: 根据法向量垂直于面内任意向量建立方程组: 令 , 代入第二式可求得 。 由此得到平面 的一个法向量:

易得直线 的方向向量为:

设直线 与平面 所成的角为 (), 根据线面角的向量转换公式(等于方向向量与法向量夹角的正弦值): 由于 , 进一步恒等变形简化分式:

已知 , 由正弦函数的单调性, 易知: 即线面角的正弦值范围为:

因为线面角 , 且正弦函数在此区间内严格单调递增, 故直接进行区间映射, 得到 的取值范围为:

答:直线 与平面 所成的角的取值范围是 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直判定定理的几何推演、空间三轴直交系建系规范、利用法向量求解直线与平面的复合夹角范围。
  2. 核心方法:空间直角坐标系法、三角函数有界性控制法。
  3. 避坑指南:
  • 第二问中化简 是代数上的一个难点。利用切化弦恒等式 并同乘 , 可以极速将其清洗为最精简的 结构, 从而能一眼看破其值域边界。
  • 最终得出的区间是关于角度本身的开区间 , 严禁停留在正弦值阶段, 填空大题必须写到自变量的最终弧度范围。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题考查平面与平面垂直的判定、空间直角坐标系的建立与应用,是湖北卷(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(传统几何综合证明法、空间向量坐标运算法)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:平面与平面垂直的判定、空间直角坐标系的建立与应用相互关联,解答中综合运用了传统几何综合证明法、空间向量坐标运算法,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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