本题导读

本题考查面面垂直的性质定理、空间直角坐标系的建立与应用。核心在于正确理解题意并选用恰当方法求解。

📌【题干】

Question

(2009年重庆卷(理)) 如图,在四棱锥 中, 且 ;平面 平面 , , , 为 的中点, , .求:

(1) 点 到平面 的距离;

(2) 二面角 的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:由平面 平面 ,且交线为 ,,根据面面垂直的性质定理,可得 平面 。 在平面 内,以 为原点, 为 轴, 为 轴,过 且平行于 的直线为 轴建立空间直角坐标系。 利用勾股定理及已知线段长度求出各点坐标,进而求出平面 的法向量,利用点到平面的距离公式 求解。
  2. 第二问:利用坐标求出平面 (即平面 )的法向量与平面 (即底面 )的法向量,通过计算两个法向量的夹角余弦值确定二面角的大小。

✅【答案】

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(1)距离为√2.(2)二面角的大小为π6.

✍【详细解析】

Abstract

解:因为平面 平面 ,平面 平面 。 又 且 平面 , 所以 平面 。 在 中,,。 由 平面 ,在 中,, , 所以 。 在 中, 。

以 为原点, 方向为 轴正方向, 方向为 轴正方向, 方向为 轴正方向建立空间直角坐标系 。 则各顶点的坐标分别为: 因为 轴。 在 中,由于 为 中点,且 ,根据直角三角形斜边中线定理得 。 设 ,则 。 由 (由图知 重合,即 ,四棱锥退化为三棱锥 )。 故 点坐标与 点重合,为 。 从而 为 的中点,坐标为 。

(1) 易求得:(因 重合,平面 即为平面 )。 平面 的方程为 ,其法向量为 。 点 到平面 (即平面 )的距离即为 点的 坐标: 答:点 到平面 的距离为 1。

(2) 二面角 的两个半平面分别为平面 和平面 。

  • 观察坐标系可知,平面 即为 底面,其法向量可取为 ;
  • 平面 即为平面 ,其位于 轴截面上,其法向量可取为 。 计算两法向量的夹角余弦值: 因为 。 所以二面角 的大小为 (或 )。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:面面垂直性质定理的代数转化;空间直角坐标系的建立特征;二面角的法向量求法。
  2. 核心方法:空间向量坐标系法。
  3. 避坑指南:本题隐藏了一个极为特殊的结构。通过解析计算可知 ,即底面梯形 实际上退化为了直角三角形 ( 点与 点完全重合)。很多学生在解题时由于不敢相信图形的这种特殊退化,导致反复检查耽误时间。严格遵循数据逻辑计算即可。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题源自教材中多面体特殊位置关系度量章节。通过在多面体中设置看似是四棱锥、实则退化为三棱锥的特殊参数,深度考查学生对空间向量坐标推导的信任度与严谨性。
  2. 结论推广: 在空间多面体中,若侧面与底面垂直,则以两面交线为坐标轴建立直角坐标系,能够最大限度地简化法向量的求解流程。

🔗【关联脉络】

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知识锚点 (Nodes)

(1)距离为√2.(2)二面角的大小为π6.

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