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立体几何问题到底建系好, 还是几何法好, 2022高考数学真题分析

立体几何关于线面夹角或者面面夹角的问题,通常有两种常用的解法,一种是通过建立坐标系,用向量的知识解。这种方法套路性很强,掌握之后,相当于手握一把解决此类问题的万能钥匙。另一种当然是几何法了,找到该夹角,在夹角所在的直角三角形中,利用三角函数的基本概念解决起来,可能更加简便。几何法的主要难点在于找到这个夹角。通常受限于空间想象力,这个夹角都很难被找到。或者找到了,又很难凑足求解的条件。

那么底是建系向量法好,还是几何法好呢?其实这个问题并不矛盾的。因为建系向量法,需要找到一个适合建系的点,作为原点,还需要三条“两两 互相垂直”的直线,作为空间坐标系的三条轴。因此,我们在找建系的位置时,大可以同时找一找,这个夹角。如果发现这个夹角太难找到,就立即放弃几何法,专心攻破建系向量法。如果夹角很容易找到,又何必去建立坐标系呢?比如下面这道2022高考数学理科全国甲卷的立体几何问题,它的线面夹角就非常容易找到。只是找到了,你未必能意识到,它就是你要找的线面夹角。这是怎么回事呢?我们先来看题吧!

在四棱锥P-ABCD中,PD⊥底面ABCD,CD//AB, AD=DC=CB=1,AB=2,DP=根号3.

(1)证明:BD⊥PA;

(2)求PD与平面PAB所成的角的正弦值.

分析:(1)运用逆向思维,想要证明BD垂直于PA,可以通过证明BD垂直于平面PAD,而PD垂直于BD,所以只要证明BD垂直于AD就可以了。为此,需要取AB的中点E,并连接CE,DE,就可以得到菱形BCDE,和平行四边形ADCE,从而证明AD垂直于BD了。

(2)如果建系的话,就以D为原点,BD为x轴,AD为y轴,PD为z轴。也是挺直接的。不过PD和平面PAB的线面夹角也是很容易找到的。只要取AE的中点F,即AB靠近A点的那个四等分点。连接DF和PF,那么,角DPF就是我们要找的线面夹角。

这是因为三角形ADE易证一个等腰三角形,AE是底边,所以DF垂直于AB,又PD垂直于AB,所以AB垂直于平面PDF。只要过D作DG垂直于PF于点G,那么DG就同时垂直于AB,也就垂直于平面PAB,所以角DPF就是PD和平面PAB的线面夹角。因为它符合线面夹角的定义。

然而我们并不需要作出DG来,因为三角形PDF是直角三角形,所以我们可以直接求这个线面夹角的正弦值了。

证明:(1)取AB的中点E,连接CE,DE,则

BE=AE=AB/2=1=CD=CB,又CD//AB,

∴四边形BCDE是菱形. 四边形ADCE是平行四边形,

∴BD⊥CE,CE//AD, ∴BD⊥AD,

又PD⊥底面ABCD,BD⊂底面ABCD,∴BD⊥PD,

∴BD⊥平面ADP,

又PA⊂平面ADP,∴BD⊥PA.

(2)取AE的中点F, 连接DF, PF, 则AF=AE/2=1/2.

∠DPF就是PD与平面PAB所成的角.

AD=AE=DE=BC=1, ∴DF=根号3 AF=根号3/2.

PD⊥DF, ∴PF=根号(PD^2+DF^2)=根号15/2.

sin∠DPF=DF/PF=根号5/5.

当然,这不表示建系法不重要,两种方法我们都要掌握。老黄再尝试用建系法解一解,看看这道题的两种方法是不是同样简便。

(2)方法2:以D为原点,BD为x轴,AD为y轴,PD为z轴建立坐标系,则

A(0,1,0), P(0,0,根号3),设B(b, 0,0),由根号(b^2+1)=2,解得b=根号3(舍去负值).

向量PA=(0,1,-根号3),向量AB=(根号3,-1,0),

设平面PAB的法向量为:n(x,y,z),

则 y-根号3 z=0, 根号3x-y=0. 取y=根号3,则z=1, x=1. 【y可以取0之外的任意实数.】

向量DP=(0,0,根号3),

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