本题导读
本题考查线面垂直的判定与性质。核心在于几何证明法、空间向量坐标法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2019年北京卷理)如图,在四棱锥 中, 平面 ,,,,. 为 的中点,点 在 上,且 .
(1)求证: 平面 ;
(2)求二面角 的余弦值;
(3)设点 在 上,且 .判断直线 是否在平面 内,说明理由.
🔍【思路分析】
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第一问(证明):利用线面垂直的定义。已知 平面 ;又已知 。两条相交直线 均与 垂直,即可得证。
第二问(计算):建立空间直角坐标系。
以 为原点, 为 轴, 为 轴,过 且垂直于 的直线为 轴。
求出 的坐标,分别计算平面 和平面 的法向量。
利用向量夹角公式求解。
第三问(探索):
求出 点坐标,计算向量 。
检验 是否与平面 的法向量垂直,且点 是否在面内。
✅【答案】
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(1)证明见解析。
(2)二面角 的余弦值为 。
(3)直线 在平面 内。
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:
因为 平面 , 平面 ,
所以 .
又因为 ,且 ,
平面 ,
所以 平面 .
(2)解:
以 为原点建立空间直角坐标系 (如图).
由题意得:.
因为 是 中点,所以 .
因为 ,,所以 .
求平面 的法向量 :
,.
由 .
令 ,则 .得 .
求平面 的法向量 :
平面 即平面 ,其在 面内,故垂直于 轴.
取 .
计算夹角:
.
所以二面角 的余弦值为 .
(3)解:直线 在平面 内.理由如下:
因为 ,,
所以 .
又 ,则 ,.
检查 .
因为 且点 在平面 内,
所以直线 在平面 内.
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
坐标系选点:在 底面的四棱锥中,以 为原点建立系是最优选,因为 恰好构成两两垂直的基底。
法向量计算:平面 实际上就是 坐标面,其法向量直接写 轴方向向量即可,无需重复列方程计算,提高效率。
共面判定:判定线在面内,除了证明方向向量与法向量垂直外,必须说明直线上至少有一个点在面内(本题点 显然在内)。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:待补
结论推广:待补
方法推广:待补
🔗【关联脉络】
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