本题导读

考查面面垂直与体积。建系后平面 方程为 、平面 方程为 ,法向量 与 垂直;。

📌【题干】

Question

(2010年山东卷(文)) 在如图所示的几何体中,四边形 是正方形, 平面 ,, 分别为 的中点,且 .

(1) 求证:平面 平面 ;

(2) 求三棱锥 与四棱锥 的体积之比.

🔍【思路分析】

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  1. 设 ,则 ,正方形边长 。
  2. 以 为原点, 为 轴建系:、、、、、。
  3. 、、 为 、、 中点:、、,三点横坐标均为 ,平面 即 ,法向量 。
  4. 纵坐标均为 ,平面 即 ,法向量 。两法向量内积为 ,故平面 平面 。
  5. (2) , 到面 ()距离 ,。
  6. , 到面 ()距离 ,。
  7. 比值 。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2) 体积之比为

✍【详细解析】

Abstract

设 ,由 得 ,正方形 的边长为 . 以 为原点,、、 所在直线分别为 、、 轴建立空间直角坐标系,则 因 分别为 的中点,故 三点 的横坐标均为 ,且 、 不共线,故平面 的方程为 ,其一个法向量为 . 三点 的纵坐标均为 ,且 、 不共线,故平面 的方程为 ,其一个法向量为 . 因为 ,所以两平面法向量垂直, 故平面 平面 . (2) 是直角三角形,,,故 点 到平面 (即 )的距离为 ,所以 正方形 的面积 ,点 到平面 (即 )的距离为 ,所以 因此 故三棱锥 与四棱锥 的体积之比为 .

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:面面垂直的判定与体积比

核心方法:设 建 - 系,求两平面法向量证垂直,再用体积公式求比

避坑指南:中点坐标是建系后的关键: 横坐标均为 使平面 为 ;体积比中 约掉,结果 与 无关。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:正方形+垂线+中点构成的几何体,是面面垂直与体积比的高频载体。

结论推广:平面 与平面 法向量垂直,故面面垂直;。

方法推广:建系后先求各关键点坐标(尤其是中点),再用法向量判垂直、用底乘高求体积,思路统一。

🔗【关联脉络】

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