本题导读
本题考查空间直角坐标系的建立。核心在于空间向量坐标运算、法向量待定系数法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2020年江苏卷)24. 在三棱锥 中,已知 , 为 的中点, 平面 ,, 为 的中点。
(1)求直线 与 所成角的余弦值;
(2)若点 在 上,满足 ,设二面角 的大小为 ,求 的值。
🔍【思路分析】
破题导航
1. 建立坐标系:
- 基底选择:因为 ,且 是 中点,所以 。
- 已知 平面 ,则 垂直于 和 。
- 以 为原点, 所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系。
2. 向量求线线角:
- 写出 的坐标,计算向量 和 。
- 利用公式 。
3. 向量求二面角:
- 确定 点坐标(利用定比分点公式)。
- 分别求出平面 和平面 的法向量 。
- 计算法向量夹角的余弦值,最后转化为二面角的正弦值 。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
(1)解:
- 坐标计算:
在 中,,则 。
建立坐标系得:。
因为 是 中点,则 。
- 计算向量:
,。
- 求角:
。
因为异面直线所成角为锐角,故余弦值为 。
(2)解:
- 确定 F 点坐标:
。
。故 。
- 求平面法向量:
- 平面 DEC: 。设法向量 。
$\begin{cases} x+y+z=0 \\ x+2y=0 \end{cases} \implies \text{令 } y=1, \text{则 } x=-2, z=1$。故 $\vec{n_1}=(-2,1,1)$。
- 平面 DEF: 。设法向量 。
$\begin{cases} x_1+y_1+z_1=0 \\ \frac{7}{4}x_1 + \frac{1}{2}y_1=0 \end{cases} \implies \text{令 } x_1=2, \text{则 } y_1=-7, z_1=5$。故 $\vec{n_2}=(2,-7,5)$。
- 计算二面角:
。
则 ,所以 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 垂直关系的转化: 平面 是建系的基础。在附加题中,如果找不到现成的垂直关系,需要先通过几何证明(如勾股定理逆定理)来寻找。
- 计算量: 附加题 24 题的计算量主要集中在求解两个平面的法向量。建议在求得法向量后,反向代入原向量做内积校验。
- 正弦还是余弦: 向量法求得的是二面角的余弦值,而题目往往要求正弦值,注意转换公式 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 坐标数错: 尤其是在计算中点(如点 )或定比分点(如点 )时,坐标系的原点位置必须统一。
- 法向量计算错误: 这是最常见的丢分点。解方程组时,建议取最简单的整数值。
- 二面角的正负号: 如果题目要求的是二面角的余弦值,需要观察图形判断是锐角还是钝角。但本题要求正弦值,由于二面角 ,正弦值恒为正,直接计算即可。
🔗【关联脉络】
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