本题导读
本题考查空间中线面、面面垂直的判定与性质、空间向量法求线面角。核心在于正确理解题意并选用恰当方法求解。
📌【题干】
Question
(2009年湖南卷(理)) 在正三棱柱 中,.点 是 的中点,点 在 上,且 .
(1)证明:平面 平面 ;
(2)求直线 和平面 所成角的正弦值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问:
- 设 ,则底面边长为 。设 。
- 在 中用余弦定理表示出 ,利用直角三角形性质分别表示出 与 。
- 结合 列出关于 的方程求得 ,从而证得 为直角三角形,即 。
- 结合侧棱垂直底面证得 ,从而得到 平面 ,即可完成面面垂直的证明。
- 第二问:
- 取底面 的中点 为坐标原点,建立空间直角坐标系 。
- 设 ,写出相关点的坐标,确定直线 的方向向量及平面 的法向量,利用向量夹角公式计算线面角的正弦值。
✅【答案】
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平面𝐴𝐷𝐸⟂平面𝐴𝐶𝐶1𝐴1;直线𝐴𝐷和平面𝐴𝐵𝐶1所成角的正弦值为√105.
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:
设 ,则底面正三角形 的边长为 。 因为 是 的中点,所以在 中,。 设 。 在 中,由余弦定理得:
因为 平面 ,且 平面 , 所以 。 在 中,。 同理,在 中,。
因为 ,所以在 中,。 代入得: 化简得:。 因为 ,解得: 即 。
在 中,由于 ,,, 由余弦定理算得: 此时 , 所以 是直角三角形,且 。 又因为 平面 , 平面 , 所以 。 由于 ,且 平面 , 所以 平面 。 因为 平面 , 所以平面 平面 。
(2)解:
取底面 的中点 为坐标原点, 所在直线为 轴, 所在直线为 轴,平行于侧棱且过点 的直线为 轴,建立空间直角坐标系 。 设 ,则底面边长为 。 相应各点坐标为: , , , , 是 的中点,其坐标为
由此可得:
设平面 的法向量为 ,则:
\vec{n} \cdot \vec{AB} = 0 \\ \vec{n} \cdot \vec{AC_1} = 0 \end{cases} \implies \begin{cases} 2\sqrt{2}x = 0 \\ \sqrt{2}x + \sqrt{6}y + 2z = 0 \end{cases}$$ 解得: $$\begin{cases} x = 0 \\ z = -\frac{\sqrt{6}}{2}y \end{cases}$$ 取 $y = 2$,得平面 $ABC_1$ 的一个法向量为 $\vec{n} = (0, 2, -\sqrt{6})$。 设直线 $AD$ 与平面 $ABC_1$ 所成的角为 $\theta$,则: $$\sin\theta = |\cos\langle \vec{AD}, \vec{n} \rangle| = \frac{|\vec{AD} \cdot \vec{n}|}{|\vec{AD}| \cdot |\vec{n}|} = \frac{|0 + 0 - 2\sqrt{6}|}{\sqrt{2+0+4} \cdot \sqrt{0+4+6}} = \frac{2\sqrt{6}}{\sqrt{6} \cdot \sqrt{10}} = \frac{2}{\sqrt{10}} = \frac{\sqrt{10}}{5}$$ 所以直线 $AD$ 和平面 $ABC_1$ 所成角的正弦值为 $\frac{\sqrt{10}}{5}$。 ---
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间中线面与面面垂直的判定,建系法求线面角。
- 核心方法:
- 自变量约束法:引入参数 ,通过勾股定理构建等量代数关系,求出几何动点的唯一特殊位置。
- 空间坐标法:利用正三棱柱底面中线与底边垂直的特征建立正交系,将抽象的空间位置关系完全坐标化。
- 避坑指南:
- 证明面面垂直时,直接找斜线 侧面 是最简洁的途径,避免无谓增加其他交线和垂线。
- 建立坐标系时需确保 轴两两互相垂直。若直接以点 为原点、以 与 分别为 轴,会因 与 不垂直(夹角为 )而导致建系失败。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于2010年高考湖南卷理科第18题。题目通过巧妙引入斜线垂直条件 ,将“动点定位”与“空间垂直判定”相结合,代表了传统立体几何向解析立体几何过渡的经典设问。
- 结论推广: 在正三棱柱 中,若 ,点 是 的中点,点 在 上,满足 。
- 当且仅当 时,满足条件的目标点 才会落在有界线段 内(含端点),且满足 。
- 当 时,对应本题情况,此时 ,即 恰为 的中点。
🔗【关联脉络】
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