本题导读
本题考查直线与平面。核心在于几何证明法、综合几何法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2013年新课标II卷(理)) 18. 如图,直棱柱 中, 分别是 的中点,.
(1)证明: 平面 ;
(2)求二面角 的正弦值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问(线面平行):
- 要证明 平面 ,只需在平面 内找到一条直线与 平行。
- 利用中点特征,连结 交 于点 。由于侧面 是矩形, 为 中点。
- 在 中, 分别是 的中点,利用中位线定理即可证明。
- 第二问(二面角):
- 几何法:首先证明 平面 。这有助于确定平面间的垂直关系。
- 通过计算得出 是直角三角形,进而发现 垂直于平面 。
- 过 作 ,连结 ,则 为二面角的平面角。
- 坐标法(备选):以 为原点,建立空间直角坐标系,通过法向量夹角公式求解。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
(Ⅰ)证明: 连结 交 于点 。 因为 为直棱柱,所以侧面 是平行四边形(矩形)。 因此, 为 的中点。 在 中, 是 的中点, 是 的中点, 所以 。 又因为 平面 , 平面 , 所以 平面 。
(Ⅱ)解: 因为 平面 , 平面 ,所以 。 又 且 是 中点,所以 。 因为 ,所以 平面 。
设 ,则根据已知条件 。 在 中,,,可求得 。 在 中,。 在 中,,,可求得 。 在 中,,,可求得 。 因为 ,所以 。 又 (由 平面 可知),所以 平面 。
过 作 于 ,连结 。 由三垂线定理知 ,故 为二面角 的平面角。 在 中,。 在 中,。 所以 。
故二面角 的正弦值为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点:线面平行的判定定理;二面角的几何法求解步骤(找、证、算)。
核心方法:利用三角形中位线是证明线线平行的经典手段。求解二面角时,若能发现某一侧棱(或连线)垂直于另一个平面,能极大简化平面角的寻找过程。
避坑指南:计算线段长度时务必准确,尤其是 在底面三角形中蕴含的垂直关系不可忽略。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:线面角、体对角线长公式。
结论推广:在直棱柱中,底面的高往往垂直于整个侧面,这是寻找线面垂直关系的突破口。
方法推广:坐标法虽然计算量大,但思路固定(求两个平面的法向量 ,利用 ),在几何法受阻时是强力补充。
🔗【关联脉络】
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