本题导读
本题考查空间中异面直线的垂直证明以及二面角的余弦值求解。建立空间直角坐标系,利用向量代数运算可高效解决线线垂直与二面角问题。
📌【题干】
Question
(2010年陕西卷(理)) 17.(本小题满分 12 分) 如图,在三棱锥 中,, 为 中点, 为 中点,且 .
(1) 求证:;
(2) 求二面角 的余弦值.
🔍【思路分析】
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- 第 (Ⅰ) 问:由于 ,可知 且 ,从而 。根据线面垂直性质直接推出 (亦可用向量数量积计算)。
- 第 (Ⅱ) 问:以 为原点, 所在的直线分别为 轴建立空间直角坐标系。写出各点及向量坐标,分别求出平面 与平面 的法向量,利用法向量夹角余弦公式求出二面角的余弦值。
✅【答案】
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待补
✍【详细解析】
Abstract
(Ⅰ) 求证:
方法一:几何法 因为 ,所以 。 因为 ,所以 。 又因为 ,, 所以 。 又因为 , 所以 。
(Ⅱ) 求二面角 的余弦值
如图,以 为坐标原点,射线 分别为 轴正半轴建立空间直角坐标系 。
由题意可知各点坐标为:
因为 是 的中点, 是 的中点,由中点坐标公式可得:
第一步:求平面 的法向量 在平面 中:
设平面 的法向量为 ,则:
解得 ,。 取 ,得平面 的一个法向量为:
第二步:求平面 的法向量 在平面 中:
设平面 的法向量为 ,则:
解得 ,。 取 ,得平面 的一个法向量为:
第三步:计算二面角余弦值 设二面角 的平面角为 ,由图可知该二面角为锐角:
故二面角 的余弦值为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:三条两两垂直的共顶线段建系,平面法向量计算,二面角余弦值计算。
- 核心方法:
- 证明线线垂直:先证线面垂直 ;
- 求解二面角:利用坐标法 。
- 避坑指南:计算向量点积时须注意坐标符号;注意最后需根据空间几何图形确认二面角为锐角还是钝角。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:墙角模型(三条棱两两垂直的三棱锥)在立体几何中的标准考查题。
- 结论推广:对三条棱两两垂直的三棱锥 ,以 为原点可构建直角坐标系,平面 的法向量为 。
🔗【关联脉络】
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