本题导读

本题考查线面垂直的判定与性质。核心在于几何运算法、空间向量法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2018年北京卷理)如图,在三棱柱 中, 平面 , 分别为 的中点,,.

(1) 求证: 平面 ;

(2) 求二面角 的余弦值;

(3) 证明:直线 与平面 相交.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(几何证明):
  • 在底面 中,,且 为 中点,由三线合一得 。
  • 在侧面 中, 平面 ,且 分别为中点,易证 ,故 。
  • 结合 ,利用线面垂直判定定理。
  1. 第二问(二面角):
  • 建系:由于 且 平面 ,以 为原点, 为 轴, 为 轴,(或 方向)为 轴建立空间直角坐标系。
  • 算坐标:根据边长计算 的坐标。
  • 求法向量:分别求平面 和平面 的法向量,利用夹角公式。
  1. 第三问(位置关系):
  • 直线与平面相交 直线与平面不平行且直线不在平面内。
  • 向量法:若直线方向向量与平面法向量的点积不为 ,则直线与平面相交。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2)

(3) 证明见解析

✍【详细解析】

Abstract

(1)证明: 因为 ,且 是 的中点, 所以 。 因为 平面 , 平面 , 所以 。 在三棱柱中,侧面 是矩形。因为 分别是 的中点, 所以 ,从而 。 又因为 ,且 平面 , 所以 平面 。

(2)解:

由(1)知, 两两垂直。以 为原点,射线 方向分别为 轴正方向建立空间直角坐标系。 由 得 。在 中,。 又 ,则 。 ,。 设平面 的法向量为 ,则: ,令 ,则 ,即 。 平面 即为侧面 ,其法向量为 。 设二面角为 ,则 。 由图知二面角为钝角,故余弦值为 。

(3)证明: 是 的中点,则 ,。 所以直线 的方向向量 。 平面 的法向量为 。 计算点积:。 因为方向向量与法向量不垂直,所以直线 与平面 不平行。 又 显然不在平面内( 点不在平面内), 所以直线 与平面 相交。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 坐标系选取的技巧:利用第一问证明的垂直关系找“三轴”,可以极大简化坐标计算。
  2. 法向量的物理意义:在判断线面位置关系时,利用点积 直接判定相交是最快速的方法。
  3. 细节注意:二面角的余弦值正负号必须结合图形(钝角或锐角)判断。

📖【试题探源与推广】

Tip

在 Obsidian 笔记中,可以积累这类判定逻辑:

  • 平行: 且直线外一点不在平面内。
  • 包含: 且直线上一点在平面内。
  • 相交:。
  • 垂直:(即 )。

🔗【关联脉络】

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