本题导读

本题考查长方体中的立体几何综合问题,通过建立空间直角坐标系,利用向量代数方法高效解决异面直线夹角、线面垂直证明以及二面角求解。

📌【题干】

Question

(2010年天津卷(理)) 19. 如图,在长方体 中, 分别是棱 上的点,,.

(1) 求异面直线 与 所成角的余弦值;

(2) 证明 平面 ;

(3) 求二面角 的正弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 确定长方体的棱长并建系:
  • 设 ,则 。
  • 由已知 ;。
  • 因为 ,所以 。
  • 以 为坐标原点,分别以 所在直线为 轴建立空间直角坐标系 。
  1. 写出各点坐标与向量:
  • ;
  • (因 在 上且 );
  • (因 在 上且 )。
  1. 第 (1) 问:求出 和 ,用向量夹角余弦值绝对值求异面直线夹角。
  2. 第 (2) 问:求出 ,证明 且 。
  3. 第 (3) 问:求出平面 和平面 的法向量,计算法向量夹角后转化为二面角的正弦值。

✅【答案】

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因此𝐴𝐹⟂平面𝐴1𝐸𝐷

✍【详细解析】

Abstract

根据题意,不妨设 ,则由比例 得:

由已知 得: 因为 ,所以 .

如图,以 为原点, 所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系 .

各关键点的坐标分别为:


(1) 求异面直线 与 所成角的余弦值

求出相关向量的坐标:

计算向量数量积与模长:

设异面直线 与 所成的角为 ,则:

答:异面直线 与 所成角的余弦值为 .


(2) 证明 平面

求向量 的坐标:

在平面 中,取两相交向量:

检验垂直关系:

因为 ,且 平面 , 所以 平面 .


(3) 求二面角 的正弦值

由 (2) 知, 平面 ,所以向量 为平面 的一个法向量.

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 .

计算两法向量夹角的余弦值:

设二面角 的平面角为 ,则:

所以二面角 的正弦值为:

答:二面角 的正弦值为 .

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:长方体建系、异面直线夹角公式 、线面垂直判定(向量垂直于面内两相交向量)、法向量求二面角。
  2. 核心方法:
  • 第一步:按已知比例设出棱长求点坐标;
  • 第二步:线面垂直转化为 且 ;
  • 第三步:直接将线面垂直推论出的 作为第一个平面法向量。
  1. 避坑指南:第 (3) 问最终求的是二面角的正弦值(),求出余弦值 后务必用同角三角公式换算为正弦值。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:长方体中利用空间直角坐标系处理综合关系的经典高考大题。
  2. 结论推广:对线面垂直证明题,若得出 平面 ,则 可直接充当平面 的法向量,极大简化二面角的计算。

🔗【关联脉络】

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