本题导读
本题考查线面垂直判定。核心在于空间向量法、几何分析法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2021年新高考I卷)如图,在三棱锥 中,平面 平面 ,, 为 的中点。
(1)证明:;
(2)若 是边长为 的等边三角形,点 在棱 上,,
且二面角 的大小为 ,求三棱锥 的体积。
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问(证明 ):
- 在 中,利用等腰三角形“三线合一”证明 。
- 利用面面垂直性质定理(若两个平面垂直,则在一个平面内垂直于交线的直线必垂直于另一个平面),证得 平面 。
- 由线面垂直的定义推导出 。
- 第二问(求体积):
- 建立坐标系:利用 平面 及其底面几何关系建立空间直角坐标系。
- 坐标表示:设 ,表示出点 的坐标及相关向量。
- 法向量计算:分别求出平面 和平面 的法向量。
- 利用二面角求 :根据向量夹角公式 建立方程,解出 的长度。
- 求积:计算底面 的面积,代入 。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:
在平面 内寻找垂直关系:
在 中,因为 且 为 的中点,
根据等腰三角形“三线合一”性质,得 .
利用面面垂直性质定理:
已知平面 平面 ,且平面 平面 .
因为 平面 且 ,
所以 平面 .
得出线线垂直结论:
因为 平面 ,且 平面 ,
根据线面垂直的定义,得 .
(2)求三棱锥 的体积
建立空间直角坐标系:
在平面 内,取 中点 .由于 是边长为 的等边三角形,
则 .
过点 作 ,则 .
由(1)知 两两垂直,以 为原点,
所在直线分别为 轴建立空间直角坐标系.
则 .
由于 在平面 上且 为等边三角形, 点坐标为
.
设点坐标并寻找向量:
设 ,则 .
因为 ,则 ,
可得 .
,.
求解平面法向量:
平面 的一个法向量为 ,简化为 .
设平面 的法向量为 ,由:
令 ,得 .故 .
利用二面角求参数 :
已知二面角 大小为 ,则:
平方整理得:.
因为 ,所以 ,即 .
计算体积:
在 中,.
.
.
故三棱锥的体积为 .
解法二:在平面ABD中,作于M,在平面BCD中,
作于N,连接EN,
由⑴得。
& \because MN = EM = \frac{2}{3}CD = \frac{2}{3},\quad \therefore BC = \sqrt{3},\quad OA = 1, \\& \therefore V_{A-BCD} = \frac{1}{3}S_{\triangle BCD} \cdot OA\\& = \frac{1}{3} \times \frac{1}{2} \times 1 \times \sqrt{3} \times 1 = \frac{\sqrt{3}}{6}.\end{align*}$$
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 面面垂直的性质应用:在立体几何大题中,面面垂直往往是寻找“几何体的高”以及“建立直角坐标系”的关键突破口。
- 空间向量法求二面角:这是高考最稳定的得分手段。关键在于法向量的计算要细心。本题中平面 的法向量直接取 轴方向,极大简化了计算。
- 坐标定位的准确性:本题中 为等边三角形且 为 中点,这意味着 。在求 点坐标和底面积时,这是极易忽略的几何细节。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 方法拓展:第二问也可以利用几何法(三垂线定理)寻找二面角的平面角。过 作 ,过 作 ,连接 ,则 。利用相似三角形比例关系计算,这种方法对几何直观要求高,但计算量相对较小。
- 变式思考:如果将点 改为动点,求当三棱锥 体积最大时, 点的位置。 (提示:此时应让 到底面 的距离最大,通常涉及线面平行或极值位置的讨论。)
🔗【关联脉络】
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