本题导读
本题是立体几何综合压轴题。第一问通过建立空间直角坐标系,利用法向量的夹角求解二面角的余弦值;第二问将线线角的余弦值表示为变量的函数,利用辅助角公式或配方法求解最值。
📌【题干】
Question
(2015年江苏卷) 如图,在四棱锥 中,已知 平面 ,且四边形 为直角梯形,,,.
(1) 求平面 与平面 所成二面角的余弦值;
(2) 点 是线段 上的动点,当直线 与 所成角最小时,求线段 的长.
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立坐标系:由于 两两垂直,以 为原点, 方向分别为 轴建立空间直角坐标系。
- 第一问(二面角):
- 写出各点坐标。
- 确定平面 的一个法向量(易知为 )。
- 建立方程组求出平面 的一个法向量 。
- 利用公式 计算。
- 第二问(线线角最值):
- 设 (),表示出点 的坐标及向量 。
- 利用向量夹角公式列出 关于 的表达式。
- 直线所成角最小,对应其方向向量夹角的余弦绝对值最大。
- 通过函数变形或导数求解 的取值,进而求出线段 。
✅【答案】
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(1)
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1) 求二面角的余弦值

以 为原点,建立如图所示的空间直角坐标系 。 则各点坐标为:。 因为 平面 ,所以平面 的一个法向量为 。 设平面 的法向量为 。 已知 ,。 由 令 ,解得 。 故平面 的一个法向量为 。 设二面角为 ,则: 所以,平面 与平面 所成二面角的余弦值为 。
(2) 求线段 的长 因为 ,设 ()。 又 ,则 。 已知 。 设直线 与 所成角为 ,则: 设 。 直线所成角 最小,即 取得最大值,即 取得最大值。 令 ,则 。代入 : 当 ,即 时,分母最小,此时 最大。 此时 。 线段 的长度 。 则 。
答案:(1);(2)
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:利用空间向量解决二面角与线线角问题;含参函数的最值求解。
- 核心方法:法向量法处理面面角;参数方程法处理动点轨迹;换元法处理复杂分式函数最值。
- 避坑指南:二面角的余弦值恒为正(题目问的是“所成二面角”);异面直线所成角的范围是 ,其余弦值越大,角越小。
📖【试题探源与推广】
Tip
*结论推广: 线线角的正弦值与二面角的正弦值之间存在投影关系。 *方法推广: 遇到分式函数 求最值,若分子分母次数相同且为二次,常用判别式法或倒数换元法。
- 相关知识点:点到平面的距离向量法、空间向量的投影公式。
🔗【关联脉络】
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