本题导读
本题考查面面垂直判定定理。核心在于勾股定理逆定理、空间向量法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2021年新高考II卷)如图,在四棱锥 中,底面 是正方形,,,。
(1)证明:平面 平面 ;
(2)求二面角 的平面角的余弦值。

🔍【思路分析】
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- 第一问(垂直证明):
- 寻找高线:取 的中点 。利用等腰 的性质可知 。计算得 。
- 判定线面垂直:在底面正方形中,计算 。观察 ,发现 (即 ),由勾股定理逆定理证得 。
- 面面垂直推导:既然 垂直于底面内两条相交直线 和 ,则 平面 ,从而证得平面 平面 。
- 第二问(二面角计算):
- 建立坐标系:以 为原点,利用第一问证得的 (或过 的垂线)两两垂直的关系建立空间直角坐标系。
- 求法向量:分别写出点 的坐标,求出平面 的一个法向量 。平面 的法向量 可由坐标轴直接得出。
- 计算余弦值:利用公式 求解。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:平面 平面
在 中寻找垂直:
取 的中点 ,连接 .
因为 ,且 为 中点,
根据等腰三角形性质,得 .
在 中,,得 .
在底面中计算长度:
在正方形 中,,则 .
在 中,.
利用勾股定理逆定理证垂直:
在 中,.
因为 ,
所以 .
完成面面垂直证明:
因为 且 ,且 ,
所以 平面 .
又因为 平面 ,
所以平面 平面 .
(2)求二面角 的平面角的余弦值
建立空间直角坐标系:
由(1)可知, 两两垂直.
在平面 内,过 作 交 于 ,则 .
以 为原点,分别以 为 轴建立空间直角坐标系.
则 .
求平面 的法向量 :
,.
设平面 的法向量为 ,
则
令 ,得 .
故 .
确定平面 的法向量 :
由于平面 恰好在 平面上,其法向量可取为 轴方向向量:
.
计算夹角余弦值:
设二面角 的大小为 .
由图可知,二面角 为锐角.
故其平面角的余弦值为 .
解法二:过作于点
由(1)可知:平面平面
在中,,
,
即
得:
即
即二面角的平面角的余弦值为
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 隐藏垂直的挖掘:题目中没有直接给出垂直关系,利用“三边长满足勾股定理”来证明线线垂直是立体几何证明题的常用套路。
- 坐标系的选取:取中点 作为原点是本题的最佳选择,因为 垂直于底面,且底面是正方形,容易找到两两垂直的基向量。
- 避坑指南:
- 计算量控制:在求法向量时,尽量选取简单的整数倍。
- 方向判定:二面角结果需根据图形判定是锐角还是钝角。由于点 在平面 的一侧,且 落在 上,通常为锐角。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 方法拓展:本题也可以利用几何法。过 作 于点 ,连接 。由于 平面 ,由三垂线定理可判定 即为二面角的平面角(或其补角)。在 和 中计算线段长度即可。
- 变式思考:如果底面 变成菱形且 ,第一问的证明过程会受到什么影响? (提示:此时 不再垂直于 ,需重新考查 与底面的位置关系。)
🔗【关联脉络】
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