本题导读

本题考查面面垂直的判定定理。核心在于几何运算法、空间向量法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2017年全国卷I(理)) 如图,在四棱锥 中,,且 .

(1)证明:平面 平面 ;

(2)若 ,,求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(证明面面垂直):
  • 要证平面 平面,只需在一个平面内找一条线垂直于另一个平面。
  • 已知 且 。
  • 因为 同时垂直于 和 ,且这两条线交于 ,故 平面 。
  • 由于 平面 ,结论得证。
  1. 第二问(求二面角):
  • 找原点建系:由于 是等腰直角三角形,取 中点 ,则 。由第一问可知 平面 ,故 ,进而 底面。
  • 坐标化:以 为原点建立空间直角坐标系。设 ,通过几何关系确定各顶点坐标。
  • 求法向量:分别计算平面 和平面 的法向量。
  • 计算余弦值:利用公式 ,并根据二面角的开口方向判断正负号。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2) 二面角 的余弦值为

✍【详细解析】

Abstract

(1)证明: 由已知 ,得 ,。 因为 ,所以 。 又 ,且 平面 , 所以 平面 。 又因为 平面 , 故平面 平面 。

(2)解: 在平面 内作 ,垂足为 。 由(1)可知 平面 ,则 。 因为 ,所以 平面 。 设 。在等腰直角 中,,,。

以 为坐标原点, 方向为 轴,平行于 的方向为 轴, 方向为 轴,建立空间直角坐标系 。 则各点坐标为: 。 从而 ,,,。

  • 求平面 的法向量 : 设 ,由 。 取 。
  • 求平面 的法向量 : 设 ,由 。 取 。
  • 计算夹角余弦值: 。 由图观察可知,二面角 为钝角。 故其余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 垂直转化:线线垂直 线面垂直 面面垂直。这是立体几何大题第一问的标准三部曲。
  • 建系选择:寻找“两两垂直”的交点是建系的关键。如果图中没有现成的,通常利用等腰三角形的中线构造垂直关系。
  • 正负号判定:法向量的夹角余弦值不一定等于二面角的余弦值,必须结合图形观察是锐角还是钝角。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:待补

  2. 结论推广:待补

  3. 方法推广:待补

🔗【关联脉络】

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