本题导读
本题是一道典型的立体几何综合解答题。第一问要求利用面面垂直的性质定理证明线面垂直;第二问和第三问非常适合建立空间直角坐标系,利用向量夹角公式求异面直线所成角,并利用法向量求解点到平面的距离及探索点的存在性问题。
📌【题干】
Question
(2008年福建卷(理)) 如图,在四棱锥 中,侧面 底面 ,侧棱 ,底面 为直角梯形,其中 ,,, 为 中点.
(1) 求证: 平面 ;
(2) 求异面直线 与 所成角的大小;
(3) 线段 上是否存在点 ,使得它到平面 的距离为 ?若存在,求出 的值;若不存在,请说明理由.
🔍【思路分析】
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- 第一问:在等腰 中,中线 ,再利用面面垂直的性质定理即可得证。
- 第二问:以 为原点, 所在直线为 轴,过 且平行于 的直线为 轴, 所在直线为 轴建立空间直角坐标系。写出各点坐标,求出向量 与 ,利用夹角公式求解。
- 第三问:设出点 的坐标,求出平面 的法向量,利用点到平面的距离公式建立关于 点坐标的方程,解出后验证是否在线段 上,最后求出比例。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
解:
(1) 证明:在 中,因为 ,且 为 的中点, 所以 。 又因为平面 平面 ,平面 平面 ,且 平面 , 所以 平面 。
(2) 依题意, 。 在 Rt 中,。 以 为坐标原点,射线 分别为 轴、 轴的正半轴,建立空间直角坐标系 。 由 ,, 可得各点坐标为: 。 则 ,。 设异面直线 与 所成的角为 ,则: 因为 ,所以 。 即异面直线 与 所成角的大小为 。
(3) 设平面 的一个法向量为 。 由 , 得: 令 ,得 。 假设线段 上存在点 (其中 ),使得它到平面 的距离为 。 由于 ,则 到平面 的距离 为: 令 ,解得 。 因为 ,所以 。 由于 ,故符合题意的点 存在,其坐标为 。 此时, 在 的中点处,则: 所以 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:面面垂直的性质定理(面面垂直 线面垂直);空间向量求异面直线夹角与点面距离。
- 核心方法:建系坐标法。寻找两两垂直的特殊结构(如本题中的 底面,底面中 构成的方向)是高效建系的关键。
- 避坑指南:
- 异面直线所成角的范围是 ,向量夹角余弦值计算后必须加绝对值。
- 第三问中求得 后,要严谨验证其是否落在题干要求的“线段 上”(即满足 )。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题是由经典的“翻折模型”或“经典墙角模型”派生出来的常规立体几何大题,主要考查空间想象力与基于坐标系的代数运算力。
- 结论推广: 点 到平面 的距离也可以利用等体积法转化求解,即 ,在不方便建系的题目中,等体积法是求点面距离的通用几何利器。
🔗【关联脉络】
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