本题导读
本题考查面面垂直的判定。核心在于几何证明法、辅助平面法(面面垂直性质)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2022年乙卷理) 如图,四面体 中,,,, 为 的中点.
(1)证明:平面 平面 ;
(2)设 ,,点 在 上,当 的面积最小时,求 与平面 所成的角的正弦值.
🔍【思路分析】
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第一问(面面垂直证明):
证线线垂直:由 且 为中点易得 。利用 SAS 证明 ,得出 ,进而由等腰三角形性质得 。
证线面垂直:由 垂直于平面 内的两条相交直线,得出 平面 。
证面面垂直:根据面面垂直判定定理(平面 包含垂线 ),证得结论。
第二问(线面角计算):
确定 的位置:由于 平面 ,则 。 的面积 。要使面积最小,需 最小,即 。
确定线面角:由 平面 可推导 ,结合 可证 平面 。进而推导平面 平面 ,交线为 。因此, 与平面 的夹角即为 与 的夹角(或其补角)。
计算求解:在 中,利用勾股定理和余弦定理求解 。
✅【答案】
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(1) 证明见解析
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:平面 平面
证明 :
在 中,因为 ,且 为 的中点,
根据等腰三角形“三线合一”性质,得 .
证明 :
在 和 中:
所以 (SAS).
由此可得 .
在 中,因为 且 为 中点,
所以 .
证明线面垂直与面面垂直:
因为 ,,且 , 平面 ,
所以 平面 .
又因为 平面 ,
根据面面垂直的判定定理,得平面 平面 .
(2)求 与平面 所成的角的正弦值
1. 确定面积最小时点 的位置:
由(1)知 平面 ,而 平面 ,所以 .
的面积 .
因为 为定值(由几何参数确定),要使面积最小,只需 最小.
点 为定点,点 在直线 上,故当 时, 长度最小.
此时 面积最小,故设定 .
2. 证明平面 平面 :
由(1)知 平面 ,且 平面 ,所以 .
又因为 ,且 ,
所以 平面 .
因为 平面 ,
所以平面 平面 .
两平面的交线为 .
3. 确定线面角:
由于平面 平面 ,直线 在平面 内.
过 作 于 ,则 平面 .
故直线 与平面 所成的角即为直线 与交线 的夹角.
记该角为 ,则 (若 为钝角,则为补角的正弦,值相同).
4. 计算几何量:
- 确定 形状:
由(1)知 .已知 ,.
故 为等边三角形,边长 .
因为 为 中点,所以 ,.
- 确定 形状:
已知 , 为等腰直角三角形.
斜边 ,则直角边 .
斜边中线 .
- 分析 :
.
满足 .
所以 是以 为直角顶点的直角三角形,即 .
- 计算 :
在 中, 是斜边 上的高:
.
在 (由 )中:
.
同理,在 中:
.
5. 求解正弦值:
在 中,.
由余弦定理:
.
.
由于线面角范围为 ,取正弦值恒为正.
结论:
与平面 所成角的正弦值为 .
【解法二】连接,由(1)知,平面,因为平面, 所以,所以,
当时,最小,即的面积最小.
因为,所以,
又因为,所以是等边三角形,
因为_E_为的中点,所以,,
因为,所以,
在中,,
所以.
以为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系,
则,
所以,
设平面的一个法向量为,
则\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}\overset{\scriptscriptstyle\rightharpoonup}{n}\cdot =-x+z=0 \\\overset{\scriptscriptstyle\rightharpoonup}{n}\cdot =-x+\sqrt{3}y=0 \\\end{array} \right.,
取,则,
又因为,
所以,
所以,
设与平面所成的角的正弦值为,
所以,
所以与平面所成的角的正弦值为.
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心技巧:
“面面垂直”转化“线面角”:当发现包含直线的平面与目标平面垂直时(如本题平面 平面 ),线面角直接转化为线与交线()的夹角。这是一个非常高级且省力的视角。
动点最值的几何意义:三角形面积 ,当底固定时,面积最小等价于高最短。在立体几何中,这通常对应“垂线段最短”。
避坑指南:
- 角的判定:通过余弦定理算出 ,说明 是钝角。虽然正弦值相同,但在描述几何位置时需清楚, 在平面 上的体现点 落在 的延长线上,而非线段上。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:待补
结论推广:待补
🔗【关联脉络】
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