本题导读

本题考查直线与平面垂直的判定与性质。核心在于几何法、向量法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2012年安徽卷(理)) 平面图形 如图 1 所示,其中 是矩形,,.现将该平面图形分别沿 和 折叠,使 与 所在平面都与平面 垂直,再分别连接 ,得到如图 2 所示的空间图形,对此空间图形解答下列问题.

(1)证明:;

(2)求 的长;

(3)求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:利用面面垂直的性质定理。取 中点 ,则 。由于面 面 ,故 底面。同理可得 底面。证明 垂直于包含 的某个平面即可。
  2. 第二问:构造直角三角形或建立空间直角坐标系。通过计算 以及它们在底面的投影距离,利用勾股定理求 。
  3. 第三问:寻找二面角的平面角。根据垂直关系, 即为二面角 的平面角。在 中使用余弦定理求解。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2)

(3)

✍【详细解析】

Abstract

(Ⅰ)证明: 取 的中点分别为点 ,连接 。

  1. 在 中,,则 且 。

  2. 因为平面 平面 ,且交线为 ,所以 平面 。

  3. 同理,在 中,,则 且 。

  4. 因为平面 平面 ,所以 平面 。

  5. 由 平面 , 平面 知 ,故 四点共面。

  6. 因为 且 ,而 ,所以 平面 。

  7. 又 平面 ,所以 。

(Ⅱ)解:

  1. 延长 到 ,使 。
  2. 因为 且 ,所以四边形 为矩形,从而 。
  3. 已知 ,则 。
  4. 在 中,。
  5. 所以 。

(Ⅲ)解: 6. 由(Ⅰ)知 ,所以 是二面角 的平面角。 7. 在 中,。 8. 在 中,。 9. 根据余弦定理: 10. 所以二面角 的余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直的性质定理(面面垂直 线面垂直);二面角的定义。
  2. 核心方法:“辅助面法”。通过证明 平面 简化了垂直关系的证明;在求长度和角度时,将空间结构投影到该辅助平面上处理。
  3. 易错点:计算 时,容易忽略 与 在底面同侧还是异侧,通过图 2 的指向应明确它们位于底面的同一侧,从而 为两段长度之和(取决于折叠方向,本题中为同向折叠)。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 结论推广: 对于类似的折叠问题,折痕两侧的垂直关系是建立空间坐标系的最佳选择。
  2. 方法推广: 坐标法在本题中也非常简洁。以 为原点, 为 轴, 为 轴, 为 轴,则 ,直接用向量法求解。

🔗【关联脉络】

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