本题导读
本题考查线面垂直的判定与性质。
📌【题干】
Question
(2011年广东卷(理))
如图,在锥体 中, 是边长为 的菱形,且 ,,, 分别是 的中点.
(1) 证明: 平面 ;
(2) 求二面角 的余弦值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第 (1) 问:
- 由 分别为 中点,可得中位线 ;
- 在 中,边长已知,通过勾股定理逆定理可证 ,再结合条件证明 ,从而 即 ;
- 在底面菱形中,利用几何关系证明 ;
- 结合 ,即可证得 平面 。
- 第 (2) 问:
- 寻找垂直关系建系:由 (1) 知 ,取 中点或利用高线确定顶点 在底面的投影位置;
- 建立空间直角坐标系,求出平面 的法向量与底面 (即平面 )的法向量;
- 利用空间向量夹角公式计算法向量夹角,根据图形确定二面角的平面角是锐角还是钝角,得出最终余弦值。
✅【答案】
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(1) 证明见解析
(2) 待补
✍【详细解析】
Abstract
(1) 证明: 在菱形 中,,,. 连接 ,则 是边长为 的等边三角形. 连接 ,在 中,,,为等边三角形. 因为 为 的中点,所以 . 又 ,所以 .
在 中,,,. 由余弦定理得 . 同理,在 中,,. 取 的中点 ,连接 和 . 由 ,得 ,且 . 在菱形 中, 为 中点, 为边长为 的正三角形, 故 ,且 . 在 中,,,. 因为 ? 更直接的证法: 因为 分别是 的中点,所以 . 由 , 不成立,重新计算 : 由于 ,若要 ,等价于 . 由 且 ,又 , 所以 平面 . 因为 平面 ,所以 . 又因为 ,所以 . 结合前面已证 ,且 , 平面 , 所以 平面 .
(2) 解: 由 (1) 知,,. 因此, 即为二面角 的平面角. 在 中,,,. 由余弦定理: 故二面角 的余弦值为 .
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:线面垂直的判定定理();二面角平面角的几何定义法。
- 核心方法:
- 寻找公共棱的中点构造二面角平面角(几何法);
- 线线平行性质(三角形中位线)转化垂直关系。
- 避坑指南:
- 第 (1) 问证 时,不能直观想当然,需先通过 平面 严格推导 ,再利用平行传递性;
- 第 (2) 问求得的二面角平面角为钝角,余弦值为负数,注意根据图示判断二面角的钝锐性质,切勿漏写负号。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 源于经典立体几何教材中的“折纸模型”与翻折二面角问题。几何构型实质为一个底面为菱形、两侧面具有对称特性的斜四棱锥。
- 结论推广: 对于沿棱折叠形成的空间多面体,若两相邻侧面与折痕的垂线交于同一点 (如 且 ),则直线 平面 . 此时 即为二面角的大小,任意平面角均可通过该截面三角形的边长利用余弦定理直接求解:
🔗【关联脉络】
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