本题导读
本题考查直三棱柱的性质。核心在于几何法(中位线、面面平行推线面平行)、空间向量法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2022年天津卷) 直三棱柱 中,,,, 为 中点, 为 中点, 为 中点。
(1)求证: 平面 ;
(2)求直线 与平面 夹角的正弦值;
(3)求平面 与平面 二面角的余弦值。
🔍【思路分析】
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第一问(证明):证明线面平行,通常有两种思路:一是找线线平行(利用中位线),二是找面面平行。由于涉及多个中点(),利用中位线构造辅助平面(如面 面 )是较快的方法。
第二问(线面角):建立空间直角坐标系。以 为原点, 所在直线分别为 轴。求出直线 的方向向量和平面 的法向量,利用 求解。
第三问(二面角):分别求出平面 和平面 的法向量,利用公式 计算。注意题目要求的是二面角的余弦值。
✅【答案】
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(1) 证明见解析
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明: 平面
证明过程(面面平行法):
连接 ,取 的中点 ,连接 ,。
在 中,因为 为 中点, 为 中点,所以 是 的中位线,故 。
又因为 平面 , 平面 ,所以 平面 。
在梯形 中,因为 为 中点, 为 中点(且 为 中点,可推导 亦在 相关的几何位置上),经计算或几何性质可知 。
同理, 平面 。
因为 ,所以平面 平面 。
又 平面 ,故 平面 。
方法2:(线面平行)
如图1,连接,取的中点,取的中点,取的中点,连接,,,.
在直三棱柱中,,,
∴四边形是平行四边形,∴且,
∵、分别为和中点,
∴为的中位线,∴且,
同理可证:且,
∴且,
∴四边形为平行四边形,∴,
∵平面,平面,
∴平面.
(2)求直线 与平面 夹角的正弦值
建立坐标系:
以 为原点, 分别为 轴建立空间直角坐标系。
各点坐标:。
求向量:
,
求平面 的法向量 :
解得 。令 ,则 。
计算正弦值:
设夹角为 ,则 。
所以,直线 与平面 夹角的正弦值为 。
(3)求平面 与平面 二面角的余弦值
求平面 的法向量 :
,
令 ,得 ,即 。
(注:原解析中取点不同,此处严谨计算)
计算二面角的余弦值:
由(2)已知平面 的法向量 。
。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
辅助线技巧:第一问中位线的构造是解决此类中点问题的万能钥匙。
坐标系选择:直三棱柱自带三条互相垂直的棱(),是建立空间直角坐标系的天然场所,能极大简化计算。
法向量的唯一性:法向量方向不唯一,但其计算出的夹角余弦绝对值是唯一的。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:待补
结论推广:待补
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