本题导读
本题考查线面垂直的判定与性质。核心在于面面垂直性质法(垂面找高法)、空间等体积法(割补法)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2023年甲卷文)如图,在三棱柱 中,,。
(1)证明:;
(2)设 ,,求四棱锥 的高。
🔍【思路分析】
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- 第(1)问思路:
- 欲证面面垂直,需在一面内寻找或构造一条直线垂直于另一面。
- 由已知 且 ,可得 。
- 结合已知条件 即 ,以及 ,可证 。
- 由于 ,从而证得面面垂直。
- 第(2)问思路:
- 方法一(几何法):由第(1)问已证 ,其交线为 。根据面面垂直的性质,在平面 内过点 作 于 ,则 即为四棱锥 的高。通过计算侧面平行四边形的几何量求出 。
- 方法二(等体积法):将三棱柱拆分为四棱锥 与三棱锥 两部分。利用 的体积关系列方程,进而求出四棱锥的高。
✅【答案】
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(1) 证明见解析
(2) 四棱锥 的高为
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明: 因为 ,且 , 所以 ,即 。
因为 , 所以 。
又因为 ,且 , 所以
因为 , 所以 。
(2)解: 解法一:面面垂直性质法(几何法)
在侧面平行四边形 中,过点 作 ,垂足为 。 由(1)可知 ,且两平面交线为 。 因为 ,且 , 所以 。 即线段 的长度为四棱锥 的高。
因为 ,且 ,所以 , 即 为直角三角形,且 。 在三棱柱中,侧棱 ,且 。
在 Rt 和 Rt 中: 因为已知 ,所以:
在 Rt 中,。 由于 ,则 。 因为四边形 为平行四边形,且 , 其面积可表示为: 代入数据得:
所以,四棱锥 的高为 1。
解法二:空间割补等体积法 因为 ,所以 。 由三棱柱性质可知侧面 为矩形。 设 ,则由解法一可知 。 在 Rt 中,。 底面 的面积为:
因为 ,所以三棱锥 的高为 。 其体积为:
整个三棱柱 的体积为: 设四棱锥 的高为 。 矩形侧面 的面积为 。 其体积为:
因为 , 所以: 两边同除以 ()得:
所以,四棱锥 的高为 1。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:线面垂直、面面垂直的相互转化,多面体体积计算。
- 核心方法:
- 垂面找高法:通过证明面面垂直,将点到面的空间距离转化为平面内点到交线的线段距离。
- 等体积法(等积变形):当直接找高较难时,利用部分体积之和等于总体积的代数关系建立方程。
- 避坑指南:
- 错把侧棱当做高:容易直观误认为 或 为四棱锥的高,必须经过面面垂直的判定性质才能确定高线的落点。
- 忽视线面垂直性质:在第(1)问中,由 推导 时,容易忘记交代的直线在平面内的充要条件()。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于人教A版高中数学必修第二册第八章《立体几何初步》中三棱柱与四棱锥切接、分割的经典几何体模型。这类题目通常是由长方体截取或沿对角面折叠演变而来,考查线面垂直与位置关系的动态转化。
- 结论推广:
- 三棱柱体积拆分定则:对于任意三棱柱 ,若将其沿对角面 或 进行切割,皆可拆分为一个“三棱锥”和一个“四棱锥”。
- 且无论三棱柱的形状如何(正三棱柱、斜三棱柱均适用),以底面为底的三棱锥体积 恒成立,则剩余的四棱锥体积恒占整个三棱柱体积的 ,即 。利用该通用比例性质,在填空、选择题中可免去繁琐的面积运算,直接得出体积比例关系。
🔗【关联脉络】
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