本题导读

本题考查异面直线所成的角。

📌【题干】

Question

(2011年天津卷(理)) 如图,在三棱柱 中, 是正方形 的中心,, 平面 ,且 .

(1) 求异面直线 与 所成角的余弦值;

(2) 求二面角 的正弦值;

(3) 设 为棱 的中点,点 在平面 内,且 平面 ,求线段 的长.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 建立空间直角坐标系:
  • 侧面 是正方形,中心为 ,且 平面 ,可考虑以 为原点,或以 相关几何关系建系。
  • 设正方形 边长为 ,对角线交于 。以 为坐标原点,建立适当的空间直角坐标系,准确写出各点坐标。
  1. 对 (1):
  • 利用 ,将异面直线 与 所成角转化为 与 的夹角(或利用向量点乘公式计算)。
  1. 对 (2):
  • 分别求出平面 与平面 (即底面)的法向量,利用向量夹角公式计算二面角余弦值,进而转化为正弦值。
  1. 对 (3):
  • 利用 平面 及点 在平面 内,列方程确定点 的坐标,进而求出线段 的长。

✅【答案】

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(1) 待补

(2) 待补

(3) 待补

✍【详细解析】

Abstract

由题意,侧面 是正方形,边长 ,中心为 。 以 为坐标原点,过 在平面 内作平行于 和 的直线建立坐标系,或者以 为原点建系: 设 为坐标系原点,由于 , 为正方形中心,可知 到 的向量关系已知。 经精确坐标推导与计算: (1) 异面直线 与 所成角的余弦值为 ; (2) 二面角 的正弦值为 ; (3) 线段 的长为 .

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:异面直线夹角转化、二面角向量法、线面垂直与点坐标确定。
  • 核心方法:空间直角坐标系法是解决复杂三棱柱几何计算的最强有力工具。
  • 避坑指南:建系时一定要充分利用 平面 这一垂直条件作为 轴的方向。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:天津高考立体几何解答题标准模型,侧面为正方形的斜三棱柱计算。
  • 结论推广:当棱柱侧面为正方形且底面斜交时,常通过构造垂直于侧面的高线作为坐标轴起点简化计算。

🔗【关联脉络】

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