本题导读
本题以三棱台为载体,全面考查空间空间线面位置关系及二面角的度量。第一问通过平面几何计算结合线面垂直定理证明面面垂直;第二问利用建系引入空间向量,通过求解两平面的法向量夹角得到二面角的大小。
📌【题干】
Question
(2008年陕西卷(理)) 三棱锥被平行于底面 的平面所截得的几何体如图所示,截面为 ,, 平面 ,,,,,.
(1)证明:平面 平面 ;
(2)求二面角 的大小.
🔍【思路分析】
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- 第一问:利用勾股定理求出 ,在 中利用余弦定理计算 ,通过勾股定理逆定理证出 。再结合 即可证得 平面 ,从而得出面面垂直。
- 第二问:以 为原点, 所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系。利用棱台性质延长各侧棱相交于一点(恢复成大三棱锥),求出各关键顶点坐标,计算出平面 和平面 的法向量,进而由向量夹角公式求解。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:在 中,,,, 所以 ,。 因为 ,所以 。 在 中,由余弦定理得: 因为 ,所以 ,即 。 又 平面 , 平面 ,所以 。 因为 ,所以 平面 。 又 平面 ,所以平面 平面 。
(2)解:以 为原点建立空间直角坐标系 ,使 轴为 轴, 轴为 轴, 轴为 轴。 由于截面 平面 ,且 ,可知该几何体为三棱台,其相似比为 。 延长侧棱 交于点 ,则 为 的中点,由 得 。 各点坐标分别为:,,。 因为 为 的中点,由中点坐标公式可得 。 易知平面 即为 平面,其一个法向量为 。 设平面 (即平面 )的法向量为 。 由 令 ,解得 ,,即 。 由图可知,二面角 为锐角, 所以二面角 的大小为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:线面垂直的性质与判定、面面垂直的判定定理、空间向量坐标法求解立体几何。
- 核心方法:利用台体相似比“复原”大棱锥,从而通过顶点快速求出上底面点的空间坐标。
- 避坑指南:
- 第一问中容易误认为 是 的高线而直接套用,必须通过数值(余弦定理或射影定理)完成严谨的逻辑证明;
- 第二问求上底面坐标时,切忌盲目主观编造,必须严格根据台体性质利用侧棱共点(或向量共线)规律求解。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题由教材中“空间向量与立体几何”章节的经典棱台模型改编而来,重点考查将立体图形补全为大棱锥的“补形法”思想。
- 结论推广: 若直角三棱台的侧棱垂直于底面直角顶点,且上下底面相似比为 ,则通过建立空间直角坐标系,所有顶点的坐标均可通过顶点 与下底面各点坐标的定比分点公式直接写出。
🔗【关联脉络】
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