本题导读

本题是以四棱锥为载体的立体几何综合题,主要考查空间线面平行的判定、异面直线所成角的计算以及点到平面距离的求解,侧重考查空间想象能力和逻辑推理论证能力。

📌【题干】

Question

(2008年安徽卷(理)) 如图,在四棱锥 中,底面 是边长为 1 的菱形,. 底面 ,, 为 的中点, 为 的中点.

(1) 证明:直线 平面 ;

(2) 求异面直线 与 所成角的大小;

(3) 求点 到平面 的距离.

🔍【思路分析】

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  1. 第(1)问:取 的中点 ,通过证明平面 平面 ,利用面面平行的性质推导线面平行。
  2. 第(2)问:利用菱形对边平行 ,将异面直线 与 所成的角转化为共面直线 与 所成的角(即 的内角或其补角),在 中利用余弦定理求解。
  3. 第(3)问:由 得到 平面 ,从而将点 到平面 的距离转化为点 到平面 的距离,再利用等体积法 求解。

✅【答案】

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建立直角坐标系,使𝐴=(0,0,0),底面为𝑧=0,取𝐵=(1,0,0).由菱形边长为1且∠𝐴𝐵𝐶=π4,可取𝐶=⎛⎜

✍【详细解析】

Abstract

(1) 证明: 取 的中点 ,连接 。 因为 是 的中点, 是 的中点,所以在 中,。 又 平面 , 平面 ,所以 平面 。 因为 是菱形, 分别是 的中点,所以 且 。 又 平面 , 平面 ,所以 平面 。 又 ,且 平面 , 所以平面 平面 。 因为 平面 ,所以直线 平面 。

(2) 解: 因为 是菱形,所以 。 故异面直线 与 所成的角即为直线 与 所成的角(或其补角)。 因为 底面 ,且 底面 ,所以 ,。 在 Rt 中,,则 。 在 中,, 由余弦定理得:。 在 Rt 中,。 在 中,, 由余弦定理得:。 因为 ,所以 。 故异面直线 与 所成角的大小为 。

(3) 解: 因为 ,且 平面 , 平面 ,所以 平面 。 故点 到平面 的距离等于点 到平面 的距离,设该距离为 。 菱形 中, 的面积 。 三棱锥 的体积 。 在 Rt 中,。 在 Rt 中,。 在 中,由余弦定理得:。 则 。 所以 的面积 。 由 得:, 解得 。 故点 到平面 的距离为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面平行的判定定理(构造辅助面);异面直线所成角的平移转化法;等体积法求点面距离。
  2. 核心方法:
  • 证明线面平行时,若直接在目标平面内找平行线较难,可通过“中点”构造“面面平行”来证明线面平行。
  • 求点到平面的距离时,“等体积法” 可以完美避开作垂线、证明垂足位置的繁琐几何论证。
  1. 避坑指南:第(2)问求出 后,若为负值,需取其补角作为异面直线所成的角,因为异面直线所成角的范围是 。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题基于传统高考试题中“一线垂直于底面”的锥体经典模型,融合了菱形底面的非直角特性,侧重多重知识点的交织。
  2. 结论推广: 一般地,若直线 平面 ,则直线 上任意一点到平面 的距离都相等。在求三棱锥或四棱锥的点面距离时,若垂足不易确定,优先考虑使用等体积法。

🔗【关联脉络】

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建立直角坐标系,使𝐴=(0,0,0),底面为𝑧=0,取𝐵=(1,0,0).由菱形边长为1且∠𝐴𝐵𝐶=π4,可取𝐶=⎛⎜

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