本题导读

本题考查直线与平面垂直的判定与性质。核心在于空间向量法、几何分析法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2023年新高考II卷)如图,在三棱锥 中,,,, 为 的中点。

(1) 证明:;

(2) 点 满足 ,求二面角 的正弦值。

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(垂直证明):
  • 中线即高:由 且 为中点,得 。
  • 等边三角形判定:由 且含 角,判定 和 均为等边三角形,从而 ,进一步得 。
  • 线面垂直转化:由 垂直于面 内两条相交线,证得 平面 ,进而推出 。
  1. 第二问(二面角计算):
  • 建系:由第一问结论推导 平面 。以 为原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。
  • 向量定位:利用 确定点 的坐标。
  • 法向量求解:分别求出平面 和平面 的法向量 。
  • 转化计算:利用向量夹角公式求出二面角余弦值的绝对值,再利用同角三角函数平方关系转化为正弦值。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2) 二面角 的正弦值为

✍【详细解析】

Abstract

连接,因为为中点,,所以①, 因为,,所以与均为等边三角形, ,从而②,由①②,,平面, 所以,平面,而平面,所以.

不妨设,,. ,,又,平面BCD$$\therefore AE\bot平面. 以点为原点,所在直线分别为轴,建立空间直角坐标系,如图所示:

设,设平面与平面的一个法向量分别为, 二面角平面角为,而, 因为,所以,即有,

取,所以; \left\{ \begin{array}{*{35}{l}}\sqrt{2}{{y}_{2}}-\sqrt{2}{{z}_{2}}=0  \\-\sqrt{2}{{x}_{2}}=0  \\\end{array} \right.,取,所以,

所以,, 从而. 所以二面角的正弦值为.

方法二:几何分析法(构造平面角)

连接,容易证明平面,而平面,所以. 不妨设,,.

,,又,平面BCD$$\therefore AE\bot平面., 又因为,所以四边形是平行四边形,

, ,,又因为三角形_ABC_是等边三角形,取_AB_中点为_M_,连接_DM ,  _. .     

 所以和所成的角与二面角的平面角互补。即和所成的角与二面角的平面角互补。    在三角形中,    从而. 所以二面角的正弦值为.

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直的转化逻辑、空间直角坐标系的建立、平面法向量的求解、向量相等及其坐标表示。
  2. 核心方法:空间向量法(坐标法)和综合法(几何法)
  3. 避坑指南:建系的前提是必须严密证明存在三条两两垂直的直线,本题中通过计算得出 从而证明 是建系的合法性依据,不可主观臆断。求二面角时,注意题目要求的是“正弦值”,利用 转化为正弦时无需判断锐角还是钝角。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题考查经典三棱锥模型中的角度计算,第二问通过引入动点 结合向量的线性运算,考查了平移变换的几何意义。
  2. 结论推广:处理含“等腰/等边”属性的立体几何图形时,“取中点连线”构造高和中垂面是最重要的辅助线技巧。若遇到形如 的向量条件,在坐标系中可直接利用平移规则求得新点坐标,在纯几何中则意味着构造了平行且相等的线段(即平行四边形)。

🔗【关联脉络】

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