本题导读
本题考查线面垂直的判定与性质、空间向量的坐标运算。核心在于正确理解题意并选用恰当方法求解。
📌【题干】
Question
(2009年湖北卷(理)) 如图,四棱锥 的底面是正方形, 平面 ,,,点 是 上的点,且 ().
(1) 求证:对任意的 ,都有 ;
(2) 设二面角 的大小为 ,直线 与平面 所成的角为 .若 ,求 的值.
🔍【思路分析】
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- 第一问:由于底面是正方形,容易得到 。又 平面 ,易得 。从而证明 平面 ,进而得出 。
- 第二问:以 为原点建立空间直角坐标系。通过几何射影关系易求出 ;利用平面的法向量夹角公式计算出 并化为 ,代入条件方程求解 。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
(1) 证明: 因为底面 是正方形,所以其对角线 。 又因为 平面 ,且 平面 , 所以 。 因为 ,且 平面 , 所以 平面 。 因为对任意的 ,点 都在 上,从而 平面 , 所以 恒成立。
(2) 解: 以 为坐标原点,分别以 的方向为 轴、 轴、 轴的正方向建立空间直角坐标系。 则各点坐标为: , , , , 。
首先求 : 因为 平面 ,所以 在底面 上的投影为 。 则直线 与平面 所成的角 。 在 中,,, 所以 。
其次求 : 平面 即为 平面,其法向量可取为 。 设平面 的法向量为 。 由 ,,得: 令 ,则 ,。 所以 。 二面角 的大小为 ,则: 因为 为锐角,则 。 所以 。
由题意 ,代入得: 两边平方得 。 因为 ,所以 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:线面垂直的性质定理(面内任意线都垂直)、利用法向量求解二面角、几何直角三角形处理特殊线面角。
- 核心方法:传统几何法论证垂直,空间向量坐标法量化空间角。
- 避坑指南:计算 时,直接利用 几何法比全套用向量公式更简洁高效;求得 后要细心转化为 ,避免公式替换出错。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于教材中四棱锥结合柱体侧棱垂直底面的经典构型,主要考查立体几何大题的标准建系与多角度动态关联。
- 结论推广:在底面为正方形且侧棱垂直于底面的锥体中,对角线面(如平面 )往往是整个图形的对称中心面,垂直于另一条底面对角线,这一几何性质在处理动态点 时极其稳定。
🔗【关联脉络】
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