本题导读

考查公垂线证明与二面角。(1) 与 、 数量积均为 ;(2)二面角为 。

📌【题干】

Question

(2010年大纲卷II(文)) 如图,直三棱柱 中,,, 为 的中点, 为 上的一点,.

(1)证明: 为异面直线 与 的公垂线;

(2)设异面直线 与 的夹角为 ,求二面角 的大小.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 取 中点 为原点建系,设 :、、、、、。
  2. ,与 、 的数量积均为 。
  3. 夹角 :。
  4. 平面 法向量 ,平面 法向量 。
  5. ,。

✅【答案】

点击查看答案

(1) 见解析

(2) 二面角 的大小为

✍【详细解析】

Abstract

(1)取 的中点 。因为 ,所以 ; 又三棱柱为直三棱柱, 平面 。 以 为原点,、 及竖直向上方向为坐标轴建立空间直角坐标系。 设 ,(),则 为 中点:。 由 ,。 于是 计算数量积: 又 ,,故 与 、 都垂直且相交, 即 为异面直线 与 的公垂线。 (2)由(1), 解得 ,,故 ,。 求二面角 (棱为 ): ,,。 平面 的一个法向量 ; 平面 的一个法向量 。 设二面角为 (锐角),则 从而 ,。 故二面角 的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:异面直线公垂线的证明与二面角

核心方法:建系验证 与两方向向量数量积均为 ;两法向量夹角定二面角

避坑指南:证公垂线要证三件事:与两直线都垂直、垂足分别落在两直线上;求二面角时先由 夹角反解 ,漏掉这一步直接求角会卡住。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:公垂线存在唯一,向量法”设坐标—算数量积”是最稳的证明路径。

结论推广: 提示取 中点建系,底面等腰三角形对称性立刻可用。

方法推广:二面角与其两个半平面法向量夹角相等或互补,最后结合图形判断锐钝(本题为锐角)。

🔗【关联脉络】

Multi column