本题导读
本题考查正方体结构中线面角(线面所成角的正弦值)的计算,以及利用空间向量或平面几何平行性质探究线面平行的存在性问题。
📌【题干】
Question
(2010年湖南卷(理)) 如图所示,在正方体 中, 是棱 的中点.
(1) 求直线 和平面 所成的角的正弦值;
(2) 在棱 上是否存在一点 ,使 平面 ?证明你的结论.
🔍【思路分析】
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- 以 为原点,分别以 所在直线为 轴建立空间直角坐标系,设正方体棱长为 2。
- (1) 易知平面 的法向量为 ,写出向量 ,利用线面角公式 计算。
- (2) 设 为 上一点,坐标设为 (),求出平面 的法向量 ,由 平面 解出 ,若解在 内则存在,反之不存在。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
以 为坐标原点, 方向分别为 轴正方向建立空间直角坐标系 . 设正方体的棱长为 2,则各点坐标为: ,,,,,. 因为 是棱 的中点,所以 .
(1) 计算直线 和平面 所成角的正弦值: 向量 . 模长 .
平面 垂直于 轴,故其一个单位法向量可取为 . 设直线 与平面 所成的角为 ,则:
所以直线 和平面 所成的角的正弦值为 .
(2) 假设棱 上存在点 使 平面 . 因为点 在棱 上,设 (其中 ). 向量 .
在平面 中,,,. 设平面 的法向量为 ,则: 取 ,解得 ,. 所以平面 的一个法向量为 .
要使 平面 ,且 平面 ,只需: 即:
因为 ,且此时点 为棱 的中点,且 平面 .
故棱 上存在点 ,使 平面 ,此时点 为棱 的中点.
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间直角坐标系的建立、利用向量法求线面角、线面平行的向量条件(向量垂直于法向量)。
- 核心方法:构建法向量,将几何关系转化为代数方程 求解。
- 避坑指南:(1) 线面角正弦值等于方向向量与法向量夹角余弦值的绝对值,即 ;(2) 验证存在性时解出参数后必须检验是否属于定义区间(如 )。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:源于人教A版选修2-1第三章《空间向量与立体几何》经典正方体综合例题。
- 结论推广:在空间几何体中,直线平行的存在性探索问题均可设出动点坐标,联立线面法向量垂直公式进行求解。
🔗【关联脉络】
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