本题导读

本题是立体几何综合大题。第一问侧重于通过线线垂直关系推导线面垂直,进而证明线面平行,考查逻辑推理能力;第二问通过建立空间直角坐标系,利用法向量夹角公式求解二面角中的未知长度,考查空间想象力与代数运算能力.

📌【题干】

Question

(2024年新高考I卷)如图,四棱锥 中, 底面 ,,,.

(1) 若 ,证明: 平面 ;

(2) 若 ,且二面角 的正弦值为 ,求 .

🔍【思路分析】

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  1. 第一问证明思路:
  • 利用 底面 。
  • 结合已知 ,通过线面垂直判定定理证出 平面 。
  • 导出 。在底面 中利用勾股定理逆定理证出 。
  • 同一平面内垂直于同一直线的两直线平行,得 ,从而证得线面平行。
  1. 第二问求解思路:
  • 建系:由于 且 底面,以 为原点, 及过 垂直于底面的射线建立空间直角坐标系。
  • 设参:令 ,利用 求出 。
  • 计算法向量:分别写出平面 和平面 的法向量 。
  • 利用公式:二面角的正弦值已知,转化为余弦值,利用向量夹角公式 建立关于 的方程求解。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1)第(1)问详解

(1) 证明: 平面 因为 平面 , 平面 ,所以 。 又已知 ,且 , 平面 。 所以 平面 。 因为 平面 ,所以 。 在 中,。 因为 , 根据勾股定理逆定理, 是直角三角形,且 。 在平面 内, 且 ,所以 。 又因为 平面 , 平面 , 故 平面 。

(2) 第(ii)问详解

(2) 求解 的长度:

已知 , 底面。 以 为原点, 为 轴, 为 轴,过 且平行于 的射线为 轴建立空间直角坐标系。 设 ()。则 。 在 中,。则 。

  • 求平面 的法向量 :

,。 设 ,由 令 ,则 。故 。

  • 求平面 的法向量 :

,。 设 ,由 令 ,则 。故 。

  • 利用二面角条件求解:

已知二面角 的正弦值为 ,则其余弦值 。 根据公式 : 两边平方:。 因为 ,所以 。 故 。

![](Pasted image 20260527084409.png)

步骤1:推导线面垂直,确定二面角平面角 已知 底面 ,因此 。 又 ,且 ,根据线面垂直判定定理,得 作 于点 , 于点 ,连接 。

  1. 因为 平面 , 平面 ,所以 ;
  2. 又 ,,得 ;
  3. 平面 ,因此 ;
  4. 结合 ,由三垂线定理得 。
  5. 综上, 即为二面角 的平面角。 步骤2:边长与三角函数计算 由 , 为 中点,得 。 最终求得二面角的正弦值: 在 中,

##核心定理 - 线面垂直判定定理、线面垂直性质定理 - 三垂线定理

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直的判定定理(线线垂直向线面垂直的跃迁推导)、线面平行的判定(面外线平行于面内线)、勾股逆定理在底面垂直关系判定中的基础应用、空间直角坐标系模型的参数化构建、二面角法向量夹角公式。
  2. 核心方法:未知边长整体代数参量化与法向量配对抵消法。立体几何大题第二问在求解未知线段长度时,最忌讳的是盲目去用纯几何法(如三垂线定理)在空中强行寻找二面角的平面角,由于缺乏长度支撑,极易导致几何作图崩溃。本题演示的**“未知数设参建系流”**,反客为主,令 ,将整个几何空间所有的点、向量块全部用关于 的单变量代数式强制表出。最后利用向量夹角公式建立标准的代数分式方程( ),直接实现对未知线段长度的精准制导,属于简化通法。
  3. 避坑指南:
  • 避坑指南 1(第一问线面垂直判定时漏掉“相交”这一核心红线):在由 论证 平面 时,必须严格在步骤中写出“且 ”。如果完全常态缺失“两条直线相交”这一刚性前提,在严苛的高考主观题阅卷标准中,属于原则性逻辑不严密,会被扣除 1 步骤分。
  • 避坑指南 2(第二问正弦值与余弦值发生转化错位):题目给出的是二面角的正弦值 ,而空间法向量夹角公式计算出来的是二面角的余弦值绝对值。个别粗心的考生在列方程时,直接把正弦值套入了余弦公式的右端,导致后续平方化简彻底偏离轨道,痛失 8 分。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题源自人教A版选择性必修第一册第一章《空间向量与立体几何》中“空间向量的应用”章节后的课后综合进阶大题。新高考命题组在 2024 年推陈出新,分离了以往老高考中诸合复杂的“折叠几何体、动态动点在面上滑动使距离最小”等复杂冗余外壳,回归到最古朴的四棱锥母体中,纯粹高密度考查考生的逻辑论证规范与法向量代数化简基本功,是一道质感纯粹的立体几何压轴题。
  2. 结论推广(基于法向量对流的“二面角参数解析模型”):

为了丰富您的文献库知识谱系,我们可以将本题中由“垂直底面与直角边引发的法向量对流”模型提炼为一般模型:设四棱锥 中, 底面 ,且满足 。设 。经过标准空间建系消元后,其侧面 的法向量与侧面 的法向量之间,其最简乘积公式恒满足如下高度同构的比例网络:本题中由于给出 ,求得的二面角余弦平方为 。代入本题数据验证: 。这一高阶网络完美砸穿了本题的底层代数不变量逻辑。

  1. 方法推广(从代数轴空间定位向全域多元抵消的运算能力泛化):

本题所展现的引入一阶自变量 将空间立体几何彻底代数化坐标化、利用公式抵消求解未知元的方法,是攻克整张卷中后段解答题最坚固的Armor。未来当这一考点推广到新高考第 19 题的“新定义离散矩阵空间运算”、或者是解析几何大题最后一问中出现的“求动态割线在面积约束下的斜率参数”时,其核心思路——“寻找核心正交基底建立坐标网,通过指派特殊常数(如本题中的 )简化多项式系数,实现高维空间向一元代数方程的化归”,其数学变形本质完全合流。

🔗【关联脉络】

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