本题导读
本题考查直三棱柱背景下的二面角求解。核心考查意图是考查空间想象能力和几何计算能力,要求学生能够熟练运用空间直角坐标系法(向量法)或通过三垂线定理构筑二面角(传统法)进行解答。
📌【题干】
Question
(2009年上海卷(理)) 如图,在直三棱柱 中,,求二面角 的大小.
🔍【思路分析】
破题导航
- 方法一:空间向量法(推荐)
建系:由于直三棱柱的侧棱垂直底面,且 ,可利用 两两垂直的特性建立空间直角坐标系。
坐标计算:写出 的坐标,进而求得向量 和 。
法向量与夹角:分别计算平面 和平面 的法向量,通过法向量的夹角余弦值确定二面角大小。
- 方法二:传统几何法
- 作角:取 中点 ,利用直棱柱及等腰直角三角形的对称性证明 平面 。
- 转化:作 于 ,连 ,由三垂线定理可得 ,故 即为二面角的平面角。
- 求解:在直角三角形 中求出正切值或余弦值,进而确定角度。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
方法一:空间向量法
1. 建立空间直角坐标系 在直三棱柱 中, 平面 。 又 ,故以 为原点, 的方向分别为 轴、 轴、 轴的正方向,建立空间直角坐标系 。
2. 确定各点及向量坐标 由 可知: , , , 。 则 ,; ,。
3. 计算两平面法向量
- 设平面 的法向量为 , 由 ,取 ,得 。
- 设平面 的法向量为 , 由 ,取 ,得 。
4. 计算二面角大小 设二面角 的大小为 。由图可知该二面角为锐角: 由于 ,故 (或 )。
方法二:传统几何法
1. 构筑二面角的平面角
- 因为 是等腰直角三角形,取 的中点 ,连接 ,则 。
- 在直三棱柱中,侧棱 平面 ,故 。
- 结合 ,可得 平面 。
- 过 在平面 内作 于 ,连接 。根据三垂线定理,得 。
- 故 即为二面角 的平面角。
2. 计算几何量大小
- 在 中,,故 ,。
- 在矩形 中,,,得 。
- 在直角 中,作斜边上的高 ,则 。
- 因为 且 为 的中点,所以 。
3. 求角 在直角 中(): 因 为锐角,所以 。 故二面角 的大小为 (或 )。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:直三棱柱的线面垂直性质、二面角的平面角定义及利用空间向量快速求解。
- 核心方法:
- 建系法:找准“两两垂直”的三条共点直线建系。
- 面积法与相似比:几何法中计算点到直线的距离 时,利用中位线及直角三角形面积法非常高效。
- 避坑指南:使用向量法求得法向量的夹角余弦值为正数()时,需根据图形判断该二面角是锐角还是钝角(若为钝角,则需取补角为 )。本题中根据 与 在棱 同侧的几何特征易知其为锐角 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题考查直棱柱的优良几何对称性,属于典型的教材常规立体几何大题的变式改编。在高等数学(解析几何)中,计算面面夹角往往通过半空间的法向量指向直接计算。
- 结论推广: 若直三棱柱 满足 且 。 则二面角 的大小 的余弦值满足以下通式公式: (代入本题参数 ,可得 ,公式具有完美的普适性)。
🔗【关联脉络】
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