本题导读
本题考查空间中直线与直线垂直的判定。核心在于综合法证明、空间向量法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2018年天津卷文)如图,在四面体 中, 是等边三角形,平面 平面 ,点 为棱 的中点,, , .
(1) 求证:;
(2) 求异面直线 与 所成角的余弦值;
(3) 求直线 与平面 所成角的正弦值.
🔍【思路分析】
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- 利用面面垂直的性质定理,通过线面垂直转化为线线垂直证明 。
- 利用空间向量坐标法或平移法求异面直线 与 所成的角。
- 利用直线与平面所成角的定义及等体积法(或法向量法)求解线面角。
✅【答案】
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(1) 证明见解析
(2)
(3)
✍【详细解析】
Abstract
(1) 证明:取 的中点 (已给出),连接 。 因为 是等边三角形,,所以 ,且 。 因为平面 平面 ,且两平面交线为 , 平面 , 所以 平面 。 因为 平面 ,所以 。 在 中,, , , 可求得 。 由 的边长关系可得 (垂直),。 (或以 为坐标原点建立空间直角坐标系): 设 ,则 ,。 因为 平面 且 为 中点,可得 。 向量 ,。 因为 ?等等,重新核对坐标: 若 沿 轴:,。 且 ,则 在 轴上:。 为 中点 。 平面 且 ,则 在平行于 轴方向:。 此时向量 ,。 则 。 故 ,即 。
(2) 由(1)建立的坐标系: , , , , 。 向量 , 向量 。 设异面直线 与 所成角为 ,则: 异面直线 与 所成角的余弦值为 。
(3) 由(1)知 平面 ,故 即为点 到平面 的高,且 。 在四面体 中,目标是求直线 与平面 所成角 。 利用线面角公式: 或通过向量法: 平面 即为 平面,其法向量可取 。 向量 。 设直线 与平面 所成角为 ,则: 直线 与平面 所成角的正弦值为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间向量的应用、线面垂直、异面直线夹角、线面角。
- 核心方法:空间向量坐标法。
- 避坑指南:建立空间直角坐标系时,各点坐标必须准确无误,计算向量数量积时要细心。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 高考立体几何解答题的常规压轴题型。
- 结论推广: 几何法与向量法结合可以双重验证计算结果的准确性。
🔗【关联脉络】
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