本题导读

本题考查立体几何中线面垂直的证明与面面夹角的计算。第一问利用中位线平行与勾股定理逆定理证线线垂直;第二问通过建系求法向量的夹角余弦值计算平面夹角。

📌【题干】

Question

(2010年陕西卷(理)) 18. 如图,在四棱锥 中,底面 是矩形, 平面 ,,, 分别是 的中点.

(1) 证明: 平面 ;

(2) 求平面 与平面 夹角的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 第 (1) 问:连接 ,在 中, 为 中点,若要证 平面 ,可证 (不成立)或证 及 。
  • 在矩形 中, 为 中点,用勾股定理算得 ;由 平面 。
  • 连接 , 为 中点,推导 ,从而证得 平面 。
  1. 第 (2) 问:以 为原点, 为 轴建立空间直角坐标系。第 (1) 问已证 平面 ,故 即为平面 的一个法向量;平面 的法向量为 ,计算两法向量夹角的余弦值,求出平面夹角。

✅【答案】

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因此𝑎3 = 1 + 2𝑑,𝑎9 = 1 + 8𝑑

✍【详细解析】

Abstract

(1) 证明: 平面

因为底面 是矩形, 是 的中点:

在 中,由勾股定理:

在 中,由勾股定理:

在 中: 由勾股定理逆定理得:。

因为 平面 , 平面 ,所以:

因为 ,且 平面 , 所以 平面 。 因为 平面 ,所以:

取 中点 ,连接 。 在 中, 分别是 的中点,所以 且 。 在 中, 分别是 的中点,所以 且 。

因为 平面 ,所以 平面 ,则 。 在 中:

在 中,,所以 。 为 中点,故 。

在 中,利用勾股定理计算 。 在 中: 由勾股定理逆定理得:

由 ① ②,因为 ,且 平面 , 所以 平面 。


(2) 求平面 与平面 夹角的大小

以 为原点,以射线 分别为 轴的正半轴建立空间直角坐标系 。

各点坐标为:

由 (1) 知, 平面 ,所以向量 是平面 的一个法向量:

因为 平面 ,所以向量 是平面 的一个法向量:

设平面 与平面 的夹角为 ():

计算向量点积与模长:

代入公式:

因为 ,所以 (或 )。

故平面 与平面 夹角的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直判定定理及利用法向量夹角求两平面夹角。
  2. 核心方法:勾股定理逆定理证垂直;利用第 (1) 问垂直结论直接提取平面法向量 。
  3. 避坑指南:第 (2) 问求两平面夹角时,最终结果取正值 ,其角度大小位于 。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:直角四棱锥中线面垂直与面面角求解的标准综合压轴题。
  2. 结论推广:若直线 平面 ,则直线 的方向向量可直接作为平面 的法向量,简化求面面角的步骤。

🔗【关联脉络】

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