本题导读

本题考查线面垂直的判定与性质。核心在于几何推导法、空间向量坐标法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2022年甲卷理) 在四棱锥 中, 底面 ,,,,.

(1)证明:;

(2)求 与平面 所成的角的正弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(垂直证明):

    • 寻找底面垂直关系:底面 是一个等腰梯形。取 中点 ,通过证明四边形 为平行四边形,得出 。

    • 利用平面几何定理:在 中, 是 边上的中线,且 。根据“如果三角形一边上的中线等于这条边的一半,那么这个三角形是直角三角形”,得出 。

    • 线面垂直转化:结合已知 ,可证 平面 ,从而推导出 。

  2. 第二问(线面角计算):

    • 建立坐标系:由第一问可知, 两两互相垂直,非常适合以 为原点建立空间直角坐标系。

    • 写出坐标与向量:利用勾股定理求出 长度,写出各点坐标,进而求出平面 的法向量 。

    • 向量法求角:利用线面角公式 进行代数计算。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1)证明:

1. 证明 :

取 的中点 ,连接 .

因为 且 为中点,所以 .

又已知 且 ,

所以 且 .

故四边形 为平行四边形.

由此可得 .

在 中,.

即中线 .

根据直角三角形判定定理(或由圆的直径对的圆周角为直角), 为直角三角形,且 .

即 .

2. 证明线面垂直:

已知 底面 ,且 平面 .

故 .

因为 且 ,

且 , 平面 .

根据线面垂直判定定理,得 平面 .

3. 证明线线垂直:

因为 平面 .

所以 .

证明完毕.

(2)求 与平面 所成的角的正弦值

1. 建立空间直角坐标系:

由(1)知, 两两互相垂直.

在 中,.

以 为原点, 所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系.

2. 确定各点坐标及相关向量:

各点坐标为:

,,,.

所需的向量为:

;

;

.

3. 求平面 的法向量 :

设平面 的一个法向量为 ,则需满足:

移项得: 且 .

故可得 .

令 ,则 .

故法向量可取为 .

4. 计算线面角的正弦值:

设 与平面 所成的角为 .

根据线面角向量公式:

代入数据进行计算:

\sin \theta = \frac{|0 \times \sqrt{3} + 0 \times 1 + (-\sqrt{3}) \times 1|}{\sqrt{0^2 + 0^2 + (-\sqrt{3})^2} \times \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2 + 1^2}}$$$$\sin \theta = \frac{|-\sqrt{3}|}{\sqrt{3} \times \sqrt{5}} = \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{15}} = \frac{1}{\sqrt{5}} = \frac{\sqrt{5}}{5}

结论:

与平面 所成角的正弦值为 .

【解法二】几何法

作交于

∵平面,平面

∴

∴平面

面,

∴面面,

过点作面的垂线,垂足在面与面的交线上

∴直线与平面所成角

在中:

∴

∴ 直线与平面所成角的正弦

【解法三】设点到平面的距离为,在中,

,

\because AD\bot BD$$\therefore {{S}_{\Delta DAB}}=\frac{\sqrt{3}}{2},

由等体积法得:

,

,

设与平面所成角为

则

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心技巧:

    1. 底面垂直关系的挖掘:立体几何大题的第一问通常在“搭桥”。本题中证明 ,不仅回答了第一问,更为第二问构建正交的 轴提供了合法的几何依据。

    2. 法向量赋值技巧:在得到 和 后,选择令无根号的变量(此处为 或 )等于 ,可以避免出现分式,降低计算失误率。

  • 避坑指南:

    • 建系不加证明的风险:在高考阅卷中,如果直接写“以 为原点建立坐标系”而没有在第一问中证明 (即 ),第二问会被直接扣除建系分(通常是 2-3 分)。因此,第一问的证明是第二问的基石。

    • 线面角公式:利用向量法求线面角,直接求出的是 ,其绝对值直接等于线面角的正弦值 ()。切忌在此处多此一举地再去利用 进行转换。

📖【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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