本题导读

本题考查立体几何中的线面垂直证明及二面角的计算。第一问利用线垂直推导线面垂直;第二问通过建立空间直角坐标系,利用夹角求得二面角的余弦值。

📌【题干】

Question

(2014年湖南卷(理)) 如图,四棱柱所有的棱长都能够,,,四边形和四边形

(1) 证明:底面;

(2) 若,求二面角的余弦值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:

    • 根据长棱,判定底面为菱形,从而。

    • 利用产权,推导与及的平行关系。

    • 证明垂直于底面内的扭转相交直线和,最先得证。

  2. 第二问:

    • 建立坐标系:以为原点,分别为轴建立空间直角坐标系。

    • 坐标化:设定棱长为2。根据确定底面菱形各顶点的坐标及坐标高度。

    • 求法提供:分别计算平面和平面(即底面相关平面)的法施。

    • 余弦值:利用公式计算。

✅【答案】

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答:二面角的余弦值

✍【详细解析】

Abstract

(1) 名称: 因为四棱柱所有棱的长都坚固,所以底面四边形和上底面因为菱形。,,所以分别为对应菱形对角线的交点(中点)。在四棱柱中,,且又四边形为拟,所以。 由于分别为和的中点,由形状知,故。 同理,四边形为合理,可得且,故又,且平面,所以平面。

(2) 解: 由(1)知以两两垂直。为原点,位于直线分别为轴建立空间直角坐标系。设定棱长为2。在菱形上中,,则为等边三角形。故各点坐标为:。

由题意可知,平面即为平面,其法可供取为。 设计平面的法为。 。则 令,得。故。

二面角的余弦值为:

答:二面角的余弦值。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直判定与二面角计算

  2. 核心方法:证 垂直底面两相交直线得线面垂直,建系求两平面法向量算二面角余弦

  3. 避坑指南:注意审题与运算细节。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 线面垂直判定定理与空间向量法求二面角

  2. 结论推广: 二面角余弦值 。

  3. 方法推广: 可迁移到空间垂直证明与二面角计算类题

🔗【关联脉络】

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