本题导读

本题是立体几何综合大题。第一问考查三维想象能力,通过正方体展开图还原顶点位置;第二问考查线面平行的证明,核心在于寻找面内的平行线;第三问考查二面角的余弦值,可以通过传统几何法找平面角,也可以建立坐标系利用法向量求解。

📌【题干】

Question

(2015年四川卷(理)) 一个正方体的平面展开图及该正方体的直观图的示意图如图所示,在正方体中,设 的中点为 , 的中点为 .

(1) 请将字母 标记在正方体相应的顶点处(不需说明理由);

(2) 证明:直线 平面 ;

(3) 求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问思路:
    • 还原折叠:观察展开图,以正方形 为底面。 与 相连, 与 相连。折叠后, 构成下底面,则 应对应上底面的顶点。
    • 邻接关系:展开图中 在一线上, 在一线上。折叠后 在 上方, 在 上方, 在 上方, 在 上方。
  2. 第二问思路:
    • 线线平行推线面平行:要证 平面 ,只需在平面 内找一条直线与 平行。
    • 中点转化:设 为 的中点。连接 。由于 是中点,考虑构造平行四边形 。利用中位线性质证明 。
    1. 第三问思路:
    • 几何法:寻找二面角 的平面角。过 作 的垂线(由于 ,在正方体中 在 上的投影是中点),利用三垂线定理寻找夹角。
    • 坐标法(推荐):以 为原点, 为轴建立空间直角坐标系。求出平面 (即平面 )的法向量 和平面 的法向量 ,利用公式 求解。

✅【答案】

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待补

✍【详细解析】

Abstract

(I)标记顶点位置

根据正方体展开图的邻接关系,折叠后各顶点对应位置如下:

  • 点在 点正上方;
  • 点在 点正上方;
  • 点在 点正上方;
  • 点在 点正上方。

(II)证明:直线 平面

证明:连接 ,设 为 的中点。连接 。 在正方体 中: 因为 是 的中点, 是 的中点, 所以 ,且 。 又因为 是 的中点,且 且 , 所以 ,且 。 由此可得 且 。 故四边形 是平行四边形,得 。 因为 平面 ,且 平面 , 所以 直线 平面 。

(III)求二面角 的余弦值

解法(坐标法): 以 为原点, 所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系。设正方体边长为 。 则 。

  • 平面 即为侧面 ,其法向量可取为 ,简化为 。
  • 平面 的法向量 : ,。 设 ,则: 取 ,则 ,得 。
  • 计算余弦值: 由于二面角 为锐角(由图可判断),其余弦值为 。 (注:解析图中给出的 为几何法计算结果,需核对投影点位置。若采用几何法,二面角平面角为 。)

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心方法:折叠问题的空间还原;中点性质的构造应用;空间向量法求解度量问题。
  • 避坑指南:
    1. 第一问标记字母时要细心,一旦标错,后面所有计算都会失分。
    2. 证明线面平行时,必须交待“线在面外”和“线在面内”这两个关键前提。

📖【试题探源与推广】

Tip

*结论推广: 空间内任何二面角均可通过两个半平面的法向量夹角来计算,只需根据图形开口方向判定是 还是 。

  • 相关知识点:异面直线距离、点到平面的距离。

🔗【关联脉络】

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