本题导读
本题考查立体几何中的垂直关系证明与二面角求解。第一问通过底面代数长度满足勾股定理逆定理来证明线线垂直,进而结合高线引出线面垂直;第二问通过四棱锥体积反解出高线长度,利用传统三垂线几何作图或空间直角坐标系法计算平面法向量夹角,精准锁定二面角的大小。
📌【题干】
Question
(2026年上海卷)如图,四棱锥 的底面 为矩形, 底面,点 在 上且 , , .
(1)证明: ;
(2)若四棱锥体积 ,求二面角 的大小.
🔍【思路分析】
破题导航
- 线线垂直证明:在底面矩形中,通过各边长度算出 , 。因为 ,得 。结合高线 底面,可得 平面 ,从而证出 。
- 二面角平面角确定:由体积公式反解出 。过 作 于 ,连接 。利用第一问的线面垂直关系可证 ,则 即为二面角 的平面角,在直角三角形中求出其三角函数值即可。
✅【答案】
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(1) 证明见解析 (2) (即 )
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明:
因为四边形 为矩形,且已知 , 所以底面边长为:
在 中,由于 : 在 中,由于 :
在 中: 由于 ,根据勾股定理逆定理可知:
又因为已知 底面 ,且 底面 ,所以: 由于 ,且 平面 ,根据直线与平面垂直的判定定理可得: 因为 平面 ,根据平面垂直的性质定理,最终证得:
(2)若四棱锥体积 ,求二面角 的大小
首先计算底面矩形 的面积: 由四棱锥的体积计算公式满足:
方法一:几何法(三垂线法)
在平面 内,过点 作 于点 ,连接 。 由第(1)问已证结论可知, 平面 ,由于 平面 ,所以 。 因为 ,且 ,所以 平面 。 由于 平面 ,故必有 。 因此, 即为二面角 的平面角。
在 中,由于 ,斜边长为: 根据等体积法,高线 的长度为:
因为 平面 ,且 平面 ,故 。 在 中,计算该角正切值:
所以,二面角 的大小为 。
方法二:空间直角坐标系向量法
以 为坐标原点,射线 方向为 轴正方向,在底面平面内过点 作 的垂线方向为 轴正方向,射线 方向为 轴正方向,建立标准空间直角坐标系 。 各点坐标如下:
则
求平面 的一个法向量 :
求平面 的一个法向量 :
设平面 与平面 所成二面角的大小为 ,则:
所以,二面角 的大小为 (等价于 )。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:平面几何勾股逆定理的应用;线面垂直判定对线线垂直的证明;二面角平面角的几何构造与向量求解。
- 核心方法:三垂线几何角法、空间直角坐标系向量法。
- 避坑指南:采用坐标法建系时,注意点 在棱 上且非特殊顶点,切不可粗心直接将非直角线段 误作坐标轴,必须单独在底面内向外作 的垂线作为 轴。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题基于非对称底面空间几何体,其核心高阶背景源于空间单形在非对称基底上的正交投影分解问题。
- 结论推广: 本题涉及的第一问线线垂直关系可推广为通用的三垂线射影定理。只要在直棱柱或具有垂直高线的锥体中,底面内的投影线段互相垂直,则其对应的空间斜线与该投影线的异面夹角恒死锁为 ,这一投影不变性在工程机械交线截割设计中具有广泛应用。
🔗【关联脉络】
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