本题导读

本题考查空间向量与空间角。核心在于空间向量坐标法、待定系数法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2013年重庆卷(理)) 如图,四棱锥 中, 底面 ,,,, 为 的中点,.

(1)求 的长;

(2)求二面角 的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(求 长):
    • 建立坐标系:观察底面 ,由于 且 为角平分线,根据等腰三角形性质,连接 交 于 ,则 。以 为原点建立空间直角坐标系。
    • 坐标表示:计算底面各点坐标。设 ,表示出 点和 点(中点公式)的坐标。
    • 利用垂直关系:根据 ,建立关于 的方程。
  2. 第二问(求二面角):
    • 求法向量:分别计算平面 和平面 的法向量 。
    • 公式计算:利用 计算法向量夹角的余弦值。
    • 判定符号:根据图形判定二面角是锐角还是钝角,从而确定余弦值的正负。

✅【答案】

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求平面 的法向量 ;求平面 的法向量 ;计算二面角的余弦值

✍【详细解析】

Abstract

(Ⅰ)解:

连接 交 于 。因为 且 平分 ,所以 为等腰三角形,故 。 以 为坐标原点,射线 分别为 轴正方向,建立空间直角坐标系 。 在 中,,得: ,。 又 ,则 。 各点坐标为:。 设 (),由于 底面,则 。 因为 为 中点,由中点公式得 。

则 ,。 由 。 即 。 所以 的长为 。

(Ⅱ)解: 由(Ⅰ)知 ,则各点坐标及向量如下: 。 ,,。

  1. 求平面 的法向量 : 令 ,得 。故 。

  2. 求平面 的法向量 : 令 ,得 。故 。

  3. 计算二面角的余弦值: 设二面角 为 , 。

根据图形判定,二面角 的平面角与其法向量夹角互补(或相等),结合其几何位置可知该二面角为钝角,其余弦值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:见详细解析

核心方法:“空间向量法”。在已知垂直关系明确的立体几何题中,建系计算比纯几何作图(找二面角的平面角)更具普适性。 5. 易错点:法向量的方向判定。二面角的余弦值可能是正也可能是负,必须通过观察直观图来最后锁定。

避坑指南:第一问求出 后,要仔细检查向量坐标。 是中点,不要算错坐标。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:点到平面的距离、线面角的正弦值。

结论推广:对于底面是对称图形(如菱形、筝形)的棱锥,利用对角线互相垂直建立坐标系是最简便的。

方法推广:涉及线线垂直求参数,数量积为 0 是最直接的建模工具。

🔗【关联脉络】

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