本题导读
本题考查棱锥的体积。核心在于几何综合法(求体积)、空间向量建系法(求线面角)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2022年上海卷) 如图所示三棱锥 ,底面为等边 , 为 边中点,且 底面 ,.
(1)求三棱锥体积 ;
(2)若 为 中点,求 与面 所成角大小.
🔍【思路分析】
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(1)求体积:根据题意 底面 ,所以 就是三棱锥的高。底面是已知边长的等边三角形,面积容易求得;接下来只需要在直角三角形 中,利用勾股定理求出高 的长度,直接代入棱锥体积公式 即可。
(2)求线面角:由于底面是等边三角形且 为中点,连接 必然有 。结合 底面,我们拥有了三条两两垂直的直线 ,这构成了完美的三维坐标系。建系后,写出各点坐标,求出平面的法向量与直线的方向向量,利用向量夹角公式求解即可。
✅【答案】
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(1)
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1)计算三棱锥的体积
因为底面 为等边三角形,且边长 ,
所以底面面积 。
因为 底面 , 在底面内,所以 。
又因为 为 边中点,且在 中,斜边 ,,
根据勾股定理可得三棱锥的高 :
因此,三棱锥体积为:
(2)计算 与面 所成的角
建系准备:
因为 为等边三角形, 为 中点,所以 。
又因为 底面 , 底面 ,所以 ,。
这样,以 为坐标原点, 所在直线为 轴, 所在直线为 轴, 所在直线为 轴,建立空间直角坐标系 。
坐标计算:
由题意,底面高 ,所以各点坐标如下:
因为 为 的中点,由中点坐标公式得:
向量求解:
计算直线 的方向向量:
计算其模长:。
对于平面 ,由于它包含 轴( 所在直线)和 轴( 所在直线),显然 轴(即直线 )垂直于平面 。
所以,平面 的一个法向量即为:
法向量模长:。
求线面角:
设直线 与平面 所成的角为 (),则:
\sin \theta = |\cos \langle \overrightarrow{PM}, \overrightarrow{n} \rangle| = \frac{|\overrightarrow{PM} \cdot \overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{PM}| \cdot |\overrightarrow{n}|}$$$$\sin \theta = \frac{\left| \frac{\sqrt{3}}{2} \times \sqrt{3} + \frac{1}{2} \times 0 + (-\sqrt{3}) \times 0 \right|}{2 \times \sqrt{3}} = \frac{\frac{3}{2}}{2\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{4}
因此,直线 与平面 所成角大小为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
建系的严谨性:在使用空间向量法时,一定要先证明直线的两两垂直关系(即 , , ),千万不要直接写“以 为原点建系”而不给理由,这在高考阅卷中会被扣除步骤分。
法向量的巧妙选取:求解平面 的法向量时,不需要傻乎乎地去设 然后联立方程。因为该平面刚好是由坐标轴 轴和 轴张成的平面(即 平面),所以 轴的方向向量(如 或直接用单位向量 )天然就是它的法向量。
线面角的正弦与向量夹角的余弦:公式 中必须带绝对值,因为线面角的范围是 ,正弦值一定为正。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:待补
结论推广:待补
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