本题导读
本题考查线面平行与平行的性质定理。核心在于几何法 (投影判定)、空间向量法 (可选)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2020年全国卷II(理))20. 如图,已知三棱柱 的底面是正三角形,侧面 是矩形, 分别为 的中点, 为 上一点,过 和 的平面交 于 ,交 于 。
(1)证明:,且平面 平面 ;
(2)设 为 的中心,若 平面 ,且 ,求直线 与平面 所成角的正弦值。
🔍【思路分析】
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(1)证明面面垂直:
- 第一步: 证明 。利用矩形侧面中点连线平行于侧棱,再利用棱柱侧棱平行。
- 第二步: 证明线面垂直。证明 平面 。因为底面是正三角形且 是中点,所以 ;又侧面是矩形,,而 。
- 第三步: 转换到截面。证明 ,从而 平面 ,进而得出面面垂直。
(2)求线面角:
- 第一步(定位置): 利用 截面 且 在平面 内,推导出 。由此确定 点在 上的位置。
- 第二步(找角): 直线 与平面 的夹角。由于 平面 ,且 ,所以 到平面的距离即为 的长。
- 第三步(计算): 构造直角三角形,求出 的长度及 到平面的垂直距离,利用正弦公式求解。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:,且平面 平面
- 因为 分别为 的中点,且侧面 是矩形, 所以 。又三棱柱中 , 故 。
- 在正 中, 为 中点,所以 。 因为侧面 为矩形,所以 。 又 ,故 。 因为 ,且 平面 , 所以 平面 。
- 因为 ,且 平面 , 由线面平行的性质定理,平面 平面 , 所以 。 因为 平面 ,所以 平面 。 又 平面 , 故平面 平面 。
(2)求直线 与平面 所成角的正弦值
设 。在正 中,中心 到边 中点 的距离 。 由 平面 , 平面 ,平面 平面 。 所以 。 又 ,且 在 上,易证 不成立,此处需注意 在平面 内构成平行四边形 。 从而 。
在 中,。由 (若侧棱垂直底面)或建立空间坐标系。 根据条件 ,推导出 。 由 可得 的长度。
寻找投影: 由(1)知 平面 ,所以 在平面 上的投影为 , 的投影为 。 故直线 在平面 上的投影为 。 直线 与平面 所成的角为 的余角?不,应直接看 (其中 平面)。 更简便地,设角为 ,则 。 经计算,, 的长度由几何关系得出。最终结果为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 平行关系的转化: 平面 是确定 点位置的关键。
- 面面垂直的性质: 证明 垂直于平面是连接已知条件与结论的桥梁。
- 线面角的定义: 直线上一点到平面的距离与斜线段长度之比即为正弦值。在第一问已经证明线面垂直的情况下,寻找距离变得非常简单。
📖【试题探源与推广】
Tip
如果本题使用空间向量法: 以 为原点, 为 轴, 为 轴, 方向为 轴建立空间直角坐标系。
- 设 ,则 。
- 根据 求出三棱柱的高。
- 求出平面 的法向量 (即 方向)。
- 求出 的坐标,利用 求解。 向量法虽然步骤多,但思路固定,适合对几何直观不敏感的同学。
🔗【关联脉络】
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