本题导读

本题以三棱柱为载体,综合考查空间中线线垂直的证明以及二面角的求解。第一问通过线面垂直的相互转化证明异面直线垂直;第二问通过线面距离确定关键长度,并利用三垂线定理构造二面角的平面角,最后通过解直角三角形求解。

📌【题干】

Question

(2014年大纲卷(理)) 如图,三棱柱 中,点 在平面 内的射影 在 上,,,.

(1) 证明:;

(2) 设直线 与平面 的距离为 ,求二面角 的大小.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问证明垂直:
    • 首先利用射影 在 上得 平面 ,从而证明平面 平面 。
    • 结合 证明 平面 。
    • 利用侧面 为菱形的性质()得到对角线垂直,再结合线面垂直的判定得出 平面 。
  2. 第二问求二面角:
    • 确定线面距离:直线 平面 ,其距离即点 到平面的距离。通过作 证明 为所求距离。
    • 求关键长度:由距离 利用角平分线或勾股定理求出 的长。
    • 构造平面角:作 于 ,连 。由三垂线定理证明 为二面角 的平面角。
    • 计算:在 中求正切值,得出角度。

✅【答案】

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所以 平面 。;所以二面角 的大小为

✍【详细解析】

Abstract

(1) 证明: 因为 平面 , 平面 , 所以平面 平面 。 又因为 ,且平面 平面 , 所以 平面 。 连结 。在侧面 中,,且该面为平行四边形,故其为菱形。 所以 。 又因为 ,, 所以 平面 。 因为 平面 ,所以 。

(2) 解:

因为 平面 , 平面 , 所以平面 平面 。 作 于 ,则 平面 。 因为 平面 , 所以 为直线 与平面 的距离,即 。 在菱形 中, 为 的平分线,由对称性得 。 在 中,。 由于 ,故 为 的中点。 作 于 ,连结 。 因为 平面 ,所以 。 由 且 ,得 平面 , 所以 。 故 为二面角 的平面角。 在 中,。 由相似三角形 可得:。 在 中: 。 所以二面角 的大小为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直判定定理(至少两条相交直线);三垂线定理及其逆定理构造二面角。

  2. 核心方法:“垂线法”。求解二面角的关键在于从一个面上的一点向棱作垂线。本题中 是射影,起点明确,非常适合用几何法。

  3. 避坑指南:证明 是线面距离时,必须先证平面垂直。计算 长时,利用底面三角形的面积法或相似比最简便。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 线面角、异面直线距离、空间向量模长运算。

  2. 结论推广: 若三棱柱侧棱与底面不垂直,射影位置是连接底面性质与侧面性质的桥梁。

  3. 方法推广: 坐标法。建立以 为原点的空间直角坐标系,利用法向量夹角公式求解。

🔗【关联脉络】

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