本题导读

本题考查线面位置关系。核心在于几何构造法、空间向量法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2013年四川卷(理)) 如图,在三棱柱 中,侧棱 底面 ,,, 分别是线段 的中点, 是线段 的中点.

(1)在平面 内,试作出过点 与平面 平行的直线 ,说明理由,并证明直线 平面 ;

(2)设(1)中的直线 交 于点 ,交 于点 ,求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(作图与证明):
    • 作图:根据线面平行的判定定理,若要在平面 内作直线 平面 ,由于 是平面 内的一条线,只需作 即可。
    • 垂直证明:要证 平面 ,只需证 垂直于该平面内的两条相交直线。利用等腰三角形 中中线 ,以及侧棱 底面导出 。
  2. 第二问(二面角求解):
    • 建立坐标系:由于 底面且 ,可以以 为原点,或以 为原点建立空间直角坐标系。
    • 求法向量:分别求出平面 (即平面 )和平面 的法向量。
    • 计算余弦值:利用向量夹角公式计算,注意二面角是锐角还是钝角。

✅【答案】

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作法;理由;证明;

✍【详细解析】

Abstract

(Ⅰ)解:

作法:在平面 内,过点 作直线 。 理由:因为 , 平面 , 平面 ,所以 平面 。 证明: 因为 , 为 中点,所以 。 又 ,所以 。 因为 平面 , 平面 ,所以 。 又 ,且 平面 。 所以直线 平面 。

(Ⅱ)解: 设 ,则 。 在 中,, 为 中点,所以 。 在 中,。 因为 为 中点,且 过 ,所以 分别为 的中点。

以 为原点,过 作平行于 的直线为 轴, 为 轴, 为 轴建立空间直角坐标系。 则 。 因为 , 为 中点,在底面投影坐标中,。 ,。 设平面 的法向量为 。 则 ;。 取 。

再求平面 的法向量 。 ,则 。 。 。 取 。

设二面角 的平面角为 : 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(两条相交直线);法向量求二面角。

核心方法:“空间坐标系建模”。在存在明显垂直关系(如侧棱垂直底面)的几何体中,向量法往往比几何法更具普适性。

避坑指南:- 建立坐标系时要标明轴的正方向及原点。 - 求投影和中点坐标时,注意 角的处理, 并不是直接等于 。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:等腰三角形性质、勾股定理、向量点积。

结论推广:二面角的余弦值等于法向量夹角余弦值的绝对值(锐角情况)。

方法推广:求点到平面的距离也可以利用法向量:。

🔗【关联脉络】

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