本题导读

本题考查面面垂直的性质定理。

📌【题干】

Question

(2011年重庆卷(理)) 如图,在四面体 中,平面 平面 ,,,.

(1) 若 ,,求四面体 的体积;

(2) 若二面角 为 ,求异面直线 与 所成角的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:取 中点 ,由于 ,由等腰三角形性质得 。利用面面垂直性质定理可得 平面 。求出高 及底面直角三角形 的面积,代入体积公式 即可。
  2. 第二问:作辅助线或建立空间直角坐标系。过 作 交 于点 ,连接 ,易证 为二面角 的平面角,由此确定 的边角比例关系;再利用空间向量数量积公式计算 。

✅【答案】

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(1) 待补

(2) 待补

✍【详细解析】

Abstract

(1) 取 的中点 ,连接 。 因为 ,所以 。 又因为平面 平面 ,平面 平面 , 平面 , 所以 平面 。 在 中,已知 ,, 所以 ,。 从而 。 在 中,,, 由勾股定理:。 因此 ,。 的面积为:

所以四面体 的体积为:

(2) 如图,过点 作 ,垂足为 ,连接 。 因为 平面 , 平面 ,所以 。 又 ,所以 平面 ,进而 。 故 为二面角 的平面角,即 。 设 ()。 在 中,由 得: ,。 在 中,, 所以 。 因为 且 ,所以 , 故 ,从而 , 解得 。 在 中,。

以 为原点,以射线 分别为 轴、 轴正方向,过 且垂直于底面朝上的方向为 轴,建立空间直角坐标系: 则各点坐标为(令 ,不失一般性,此时 ,,,):

  • ;
  • ;
  • ;
  • 中点 ;
  • 点 。 则向量 与 分别为:

设异面直线 与 所成的角为 ,则:

所以,异面直线 与 所成角的余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:面面垂直转化为线面垂直(找交线的垂线);三垂线定理寻找二面角的平面角。
  • 核心方法:
  • 几何降维:利用相似三角形确定线段长度比例;
  • 向量代数化:建系后用向量夹角余弦公式求异面直线角(注意异面直线夹角属于 ,余弦值必须加绝对值)。
  • 避坑指南:第 (2) 问中未给出边长具体数值,求解比例关系时应规范设参,避免混淆第 (1) 问的特定条件 。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:源于折纸模型与面面垂直经典几何体构造,考查二面角与线线角的交织关系。
  • 结论推广:若二面角棱上有一垂足,利用二面角平面角可直接关联垂线在不同平面内的投影长度比,即 。

🔗【关联脉络】

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