本题导读

本题考查直线与平面、平面与平面的位置关系。核心在于几何证明法、空间直角坐标系法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2013年北京卷(理)) 如图,在三棱柱 中, 是边长为 4 的正方形.平面 平面 ,,.

(1)求证: 平面 ;

(2)求二面角 的余弦值;

(3)证明:在线段 上存在点 ,使得 ,并求 的值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(线面垂直证明):
    • 利用正方形性质得到 。
    • 结合面面垂直的性质定理(若两个平面垂直,则在一个平面内垂直于交线的直线必垂直于另一个平面),直接证出 底面。
  2. 第二问(二面角计算):
    • 建系准备:验证底面 是否包含垂直关系。由 满足勾股定理,得 。
    • 建立坐标系:以 为原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。
    • 求法向量:分别计算平面 和平面 的法向量 ,利用公式求解余弦值。
  3. 第三问(动点与比例):
    • 参数化动点:设点 在线段 上,利用向量共线或坐标分量比例表示点 。
    • 建立垂直方程:利用 建立关于位置参数 的方程。
    • 求解比例:求出点 位置后,利用相似或射影比例求出 。

✅【答案】

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则 。;此时

✍【详细解析】

Abstract

(Ⅰ)证明: 因为四边形 为正方形,所以 。 又因为平面 平面 ,且平面 平面 , 平面 ,且 , 根据面面垂直的性质定理,可得 平面 。

(Ⅱ)解: 在底面 中,。 因为 ,即 ,所以 。 如图,以 为原点建立空间直角坐标系 。 则 。 ,,。

![](Pasted image 20260410143145.png)

设平面 的法向量为 : 令 ,得 ,故 。 设平面 的法向量为 : 令 ,得 ,故 。 由图知二面角为锐角,故余弦值为 。

(Ⅲ)证明与求解: 设点 的竖坐标为 ()。 在平面 中,利用相似关系可得 。 ,。 若 ,则 : 解得 。 由于 ,故点 在线段 上。 此时 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:见详细解析

核心方法:空间坐标系是处理此类问题的“降维打击”。第一步寻找底面的垂直关系至关重要,本题中勾股定理的隐蔽运用是建系的基石。 2. 易错点:第三问中点 坐标的表示。由于 在 上,可以利用向量共线式 来表示,计算更简洁。

避坑指南:求二面角时,最后要通过几何图形判断是锐角还是钝角,向量夹角余弦值不一定等于二面角余弦值(需根据法向量方向判定)。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:线面平行、点到平面的距离(法向量投影法)。

结论推广:在柱体中,若侧棱垂直于底面,该柱体称为正棱柱(底面为正多边形时)或直棱柱。

方法推广:涉及“是否存在点满足某种度量关系”的题目,设参数列方程是通法。若方程有解且在定义域内,则存在。

🔗【关联脉络】

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