本题导读

本题考查空间几何体中的角,以及正三棱柱的几何性质。

📌【题干】

Question

(2022年浙江卷) 如图,已知正三棱柱 ,,, 分别是棱 , 上的点.记 与 所成的角为 , 与平面 所成的角为 ,二面角 的平面角为 ,则()

A.         B.         C.         D.

🔍【思路分析】

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本题考查空间中三种基本角的大小比较。

直接计算这三个角的大小比较困难,因为点 是动点。我们应当设法将这三个角集中到同一个几何构型中,利用三角函数(正切值)的单调性来进行比较。

  1. 统一度量:因为是正三棱柱且 ,可以设所有棱长均为 。

  2. 找角/作角:

    • 过 作底面的垂线段 。由正三棱柱性质可知 ,从而找到线线角 。

    • 连接 , 即为 在底面上的射影,从而找到线面角 。

    • 过 作 的垂线段 ,利用三垂线定理找到面面角的平面角 。

  3. 比较大小:将 的正切值表示为相关线段的比值。利用同一平面内“点到直线垂线段最短”及“直角三角形斜边大于直角边”的性质(即比较 与 的大小),即可得出正切值的大小关系。

✅【答案】

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A

✍【详细解析】

Abstract

因为 是正三棱柱,且 ,所以该三棱柱的所有侧棱均垂直于底面,且各个面均为正多边形或正方形。

不妨设正三棱柱的棱长为 。

过点 作 ,垂足为 。因为侧面 垂直于底面 ,故 底面 ,且有 。又因为 在 上,可知 在 上,且 。

连接 。

第一步:分析线线角

因为 ,所以 与 所成的角即为 与 所成的角(或其补角)。

在 中,,所以 为锐角,即 。

由于 在线段 上, 在线段 上,底面 是边长为 的正三角形,显然两点间的最大距离不超过棱长(当 时取得最大值 ),故 。

因此,。

第二步:分析线面角

因为 平面 , 为 在底面上的射影,所以 是斜线 在平面 上的射影。

故 与平面 所成的角为 ,即 。

在 中:

因为 (当点 重合于一点在体现面对应位置时分母探讨极限,但本题构型下视其为一般位置),必有 。

综合第一步,显然有 ,因此 ,(标记为结论①)。

第三步:分析面面角

过 在平面 内作 ,垂足为 ,连接 。

因为 平面 , 平面 ,所以 。

又因为 ,且 ,所以 平面 。

又因为 平面 ,所以 。

(注:这就是经典的三垂线定理)。

因此, 就是二面角 (或 )的平面角,即 。

在 中:

由于 为直角三角形 内的点到边的高,同样满足 ,故 。

第四步:比较 与

在底面平面 内观察 。因为 ,所以 。

在 中, 是斜边, 是直角边(即点 到直线 的距离)。

根据“直角三角形斜边大于等于直角边”(或点到直线距离最短),我们有:

因为它们都在分母上,所以取倒数后不等号方向改变:

代入正切值表达式,得到:

,(标记为结论②)。

第五步:得出最终结论

由结论①和②可得:。

因为 均属于 ,而正切函数 在 上是单调递增的。

所以有:。

故选:A.

本题是一道非常经典的立体几何概念与几何逻辑推理相融合的好题。

题目不仅要求考生对线线角、线面角、面面角的定义有极其清晰的认识,能够熟练地在图形中找到(或作出)这些角;同时,还巧妙地借用了平面几何中最基本的不等关系(垂线段最短、斜边大于直角边)来完成角度大小的比较。这种“无需强行建系硬算,而是回归几何本源图形性质”的解法,极大地体现了数学的几何直观之美。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 作角的基本套路(核心归纳):

    • 线面角:找垂线,连射影。关键是找到斜线上某点到底面的垂足。

    • 面面角:作两平面的交线的垂线(最常用“三垂线定理”或其逆定理找平面角)。

  2. 比较角大小的代数化转化:当涉及空间角大小比较时,直接观察往往存在视觉误差,最严谨的做法是将其放入直角三角形中,用三角函数(通常是正切或正弦)表示,将角的大小的比较转化为对应线段长度的比较。

  3. 垂线段最短原理的应用:空间几何问题最终都可以简化处理,化归为平面几何问题。在同一个直角三角形中找斜边和直角边的大小关系,是高中几何比较大小问题的常见突破口。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:待补

  2. 结论推广:待补

🔗【关联脉络】

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