本题导读

本题考查直线与平面。核心在于空间向量法、几何法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2013年辽宁卷(理)) 如图, 是圆的直径, 垂直圆所在的平面, 是圆上的点.

(I)求证:平面 平面 ;

(II)若 ,求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(证明面面垂直):
    • 核心思路是寻找“线面垂直”。由直径所对圆周角知 。
    • 由 面 知 。
    • 结合 ,证出 平面 ,进而得出面面垂直。
  2. 第二问(计算二面角):
    • 空间向量法:以 为原点建立空间直角坐标系。求出平面 和平面 的法向量,计算法向量夹角的余弦值。注意判定二面角是锐角还是钝角。
    • 几何法:过 作 于 ,过 作 于 ,连接 。证明 即为二面角的平面角,在直角三角形中求解。

✅【答案】

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求平面 的法向量 ;求平面 的法向量 ;计算夹角余弦值

✍【详细解析】

Abstract

(I)证明: 因为 是圆的直径, 是圆上的点,所以 。 因为 平面 , 平面 ,所以 。 又 , 平面 , 所以 平面 。 因为 平面 , 所以 平面 平面 。

(II)解(向量法):

在 中,,由勾股定理得 。 过 作 ,则 平面 。 以 为坐标原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。 则各点坐标为:。

  • 求平面 的法向量 : 。 设 ,则 。令 ,得 。
  • 求平面 的法向量 : 。 设 ,则 。令 ,得 。
  • 计算夹角余弦值: 由图可知二面角 为锐角,故其余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:线面垂直、面面垂直的转化;空间向量法求二面角。

核心方法:“线线垂直 线面垂直 面面垂直” 是立体几何证明的通用链路。

避坑指南:第一问中,由直径得垂直是隐含条件,必须明确写出;第二问求法向量时,坐标计算务必细心。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:空间两点距离公式、点到平面的距离(向量法)。

结论推广:若三条侧棱两两垂直(如长方体角),则坐标系建立最简便。

方法推广:几何法求二面角时,三垂线定理是找平面角的最常用工具。

🔗【关联脉络】

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