本题导读

本题考查直线与平面垂直的判定与性质。

📌【题干】

Question

(2011年辽宁卷(理)) 如图,四边形 为正方形, 平面 ,,.

(1) 证明:平面 平面 ;

(2) 求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 对 (1):利用 平面 证 平面 ,从而 ;再在直角梯形 中通过勾股定理逆定理证 ,进而得 平面 ,得出面面垂直。
  2. 对 (2):以 为坐标原点,分别以 所在直线为 轴建立空间直角坐标系,求出平面 与平面 的法向量,利用向量夹角公式计算二面角的余弦值。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2) 待补

✍【详细解析】

Abstract

(1) 证明: 因为四边形 为正方形,所以 。 又 平面 , 平面 ,所以 。 因为 ,所以 平面 。 因为 平面 ,所以 。 设 ,则 。 在直角梯形 中,,,, 由勾股定理得: 因为 ,所以 。 又 , 平面 , 所以 平面 。 又因为 平面 , 所以平面 平面 。

(2) 以 为原点, 的方向分别为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。 设 ,则各点坐标为: 则相关向量为: 设平面 的法向量为 ,则: 取 ,解得 ,故 。 设平面 的法向量为 ,则: 取 ,解得 ,故 。 设二面角 的平面角为 ,由图可知 为锐角, 则: 所以二面角 的余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:面面垂直判定(转化为线面垂直)、利用法向量夹角求二面角余弦值。
  • 核心方法:
  • 证明面面垂直抓“线线垂直”:(面外垂直)与 (平面几何勾股逆定理);
  • 建系求解二面角时,注意两平面法向量的设立与点乘化简。
  • 避坑指南:第 (2) 问求出向量夹角后,需结合空间图形判断二面角为锐角还是钝角,避免正负号判断失误。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:源自翻折几何与直棱柱截角模型,以正方形底面与侧棱垂线为基底建立正交系。
  • 结论推广:在直角梯形翻折/拼接模型中,两平行立柱端点与对侧底边构成的倾斜线段,常具备与侧垂面正交的垂直特征。

🔗【关联脉络】

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