本题导读
本题考查正方体中的公垂线证明、二面角计算以及三棱锥体积计算。通过建系运用向量代数运算可以高效解决立体几何问题。
📌【题干】
Question
(2010年四川卷(理)) 18. 已知正方体 的棱长为 ,点 是棱 的中点,点 是对角线 的中点.
(1) 求证: 为异面直线 和 的公垂线;
(2) 求二面角 的大小;
(3) 求三棱锥 的体积.
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立空间直角坐标系:以 为原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。写出各点坐标:,对角线中点 。
- 第 (1) 问:计算向量 ,证明 且 ,即可证得 为异面直线 和 的公垂线。
- 第 (2) 问:求出平面 的法向量 与平面 (即侧面 )的法向量 ,利用法向量夹角余弦值求出二面角。
- 第 (3) 问:可利用等体积转化 ,或利用 到底面 的距离直接求解体积。
✅【答案】
点击查看答案
𝑂𝑀为异面直线𝐴𝐴′和𝐵𝐷′的公垂线.(2)短答案:二面角𝑀−𝐵𝐶′−𝐵′的大小为arctan(2√2).(3)短答案:𝑉𝑀−𝑂𝐵𝐶=1
✍【详细解析】
Abstract
如图,以 为坐标原点,以 所在的直线分别为 轴建立空间直角坐标系 。
已知正方体棱长为 ,各点坐标分别为:
因为 是 的中点,所以 ; 因为 是对角线 的中点,所以 。
(1) 证明: 为异面直线 和 的公垂线
求各相关向量的坐标:
计算向量数量积:
因为直线 既垂直于 ,又垂直于 ,且 与两条异面直线都相交(), 所以 为异面直线 和 的公垂线。
(2) 求二面角 的大小
平面 即为正方体的右侧面 ,其一个法向量为:
下面求平面 的法向量 : 在平面 中,已知:
由 得:
取 ,解得 。 故平面 的一个法向量为:
计算两法向量的夹角余弦值:
由图可知,二面角 的平面角为锐角, 所以二面角 的大小为 。
(3) 求三棱锥 的体积
利用等体积转化法,三棱锥 的体积等于三棱锥 的体积:
计算底面 的面积: 在 中,。 因为 平面 ,且 平面 , 所以 ,即 是以 为直角顶点的直角三角形。
求点 到平面 的距离 : 由第 (2) 问知平面 的一个法向量为 。 计算向量 : 点 到平面 的距离为:
计算体积:
(另法:直接利用 )
故三棱锥 的体积为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:公垂线向量垂直判别、平面法向量求二面角、点到平面距离与三棱锥体积。
- 核心方法:
- 公垂线判定:同时证明 和 ;
- 体积计算:高 代入 。
- 避坑指南:第 (2) 问中注意区分二面角为锐角还是钝角;第 (3) 问计算 面积时,须先证 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:正方体经典立体几何综合大题(向量法应用)。
- 结论推广:在棱长为 的正方体中,对角线与侧棱中点的公垂线段长度恒为 。
🔗【关联脉络】
Multi column
知识锚点 (Nodes)
类题演练 (Links)
/2010-四川卷理-18-题.png)