本题导读

本题考查直线与平面垂直的判定。

📌【题干】

Question

(2011年北京卷(理)) 如图,在四棱锥 中, 平面 ,底面 是菱形,.

(1) 求证: 平面 ;

(2) 若 ,求 与 所成角的余弦值;

(3) 当平面 与平面 垂直时,求 的长.

🔍【思路分析】

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  1. 第(1)问:利用菱形对角线互相垂直()及 平面 (),由线面垂直判定定理可证。
  2. 第(2)问:建立以 相关方向为轴的空间直角坐标系,写出向量 与 的坐标,利用向量数量积公式求夹角余弦值。
  3. 第(3)问:设 ,分别求出平面 和平面 的法向量,根据法向量数量积为零(面面垂直)列方程求解 。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2) 待补

(3) 待补

✍【详细解析】

Abstract

解: (1) 证明: 因为底面 是菱形,所以 。 又因为 平面 , 平面 ,所以 。 因为 ,且 平面 , 所以 平面 。

(2) 设 与 交于点 。 因为 是菱形,, 所以 为等边三角形,故 。 在 Rt 中,,故 。

以 为原点, 方向分别为 轴正方向,过 作平行于 的直线为 轴,建立空间直角坐标系 。 已知 ,各点坐标为: 。

则向量坐标为:

设异面直线 与 所成角为 ,则:

所以 与 所成角的余弦值为 。

(3) 设 (),则 。 各向量坐标为:

设平面 的法向量为 : 取 ,则 ,故 。

设平面 的法向量为 : 取 ,则 ,故 。

因为平面 平面 ,所以 :

所以 的长为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:线面垂直判定定理、异面直线所成角公式、两平面垂直的向量表示(法向量数量积为零)。
  • 核心方法:坐标法(建系化),避免找二面角的复杂辅助线。
  • 避坑指南:
  • 建立坐标系时需准确求得菱形两对角线的交点坐标与半长;
  • 法向量求解过程中,设参数赋值需确保计算无误。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:源自高考立体几何解答题标准模板,考查空间想象力与代数运算能力。
  • 结论推广:底面为菱形的直四棱柱/锥中,对角线垂直是建系的天然突破口。

🔗【关联脉络】

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