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四棱锥 P-ABCD(底面边长 23 的菱形,∠BAD=120∘,PA⊥ 底面且 PA=26)· BD⊥ 平面 PAC 且 MN∥BD ⟹ 平面 PAC 是 MN 的中垂面 · 二面角 A-MN-Q 的平面角 =∠AEQ,cos∠AEQ=3333
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冷启动:这道题只有一个结构事实,其余全是它的推论
底面是菱形,所以 BD⊥AC;PA⊥ 底面,所以 BD⊥PA。两条一凑:
BD⊥平面 PAC.
而 M、N 是 PB、PD 的中点,MN 是 △PBD 的中位线,MN∥BD。于是
MN⊥平面 PAC.
再看 MN 的中点 E。记 O 为菱形的中心(也就是 AC 与 BD 的交点),那么
AE=2AM+AN=21(2AP+AB+2AP+AD)=2AP+AO,
即 E 是 PO 的中点——它就在平面 PAC 上。
把这三句话并起来:
平面 PAC 过 MN 的中点、且垂直于 MN——它是线段 MN 的中垂面。
这一句话把整道题解释完了:
- 第(Ⅰ)问:MN∥BD,BD 在底面里,MN 不在底面里,所以 MN∥ 平面 ABCD。
(题面印的是「MN⊥ 平面 ABCD」,那是原卷把 ∥ 印成了 ⊥;
MN∥BD⊂ 平面 ABCD,按 ⊥ 读这一问是假命题,原卷紧接着的解答证的也正是 ∥。)
- 第(Ⅱ)问的平面角在哪:二面角的棱是 MN,而平面 PAC 是它的垂面,
两个半平面被这张垂面各割出一条从 E 出发的射线——EA 与 EQ。
所以平面角就是 ∠AEQ,不用作任何辅助垂线。
- 为什么 AM=AN、QM=QN:中垂面上的点到 M、N 等距,A 和 Q 都在平面 PAC 上,
等距是白送的。原卷方法二为此推了两串全等,其实一句”中垂面”就够。
- Q 凭什么在这张图里:Q 是 A 到 PC 的垂足,P、C 都在平面 PAC 上,所以 Q 也在。
于是第(Ⅱ)问是一道平面几何题:在直角三角形 PAC 里,找 E(PO 中点)、
找 Q(A 到 PC 的垂足),求 ∠AEQ。棱 MN 在这张平面图上只是过 E 的一个点,
垂直纸面射出去。
先把要用的长度一次算齐。菱形边长 23、∠BAD=120∘:
AC2=12+12−2⋅12cos60∘=12 ⇒ AC=23,BD2=12+12−2⋅12cos120∘=36 ⇒ BD=6.
AC 与边长相等——△ABC、△ACD 都是正三角形,这是 120∘ 菱形的招牌。
又 PA=26、PA⊥AC,故 PC=12+24=6,直角三角形 PAC 的三边是
23,26,6。射影关系给出
AQ=PCPA⋅AC=626⋅23=22,CQ=PCAC2=2,PQ=PCPA2=4.

解法一:原卷方法一——以对角线交点 O 建系,两个法向量点乘
菱形的两条对角线互相垂直,PA 又垂直底面,把原点放在 O 而不是 A,
坐标里的零最多:A、C 落在 x 轴上,B、D 落在 y 轴上。
取 O 为原点,OC、OD 为 x、y 轴,z 轴向上。由 AC=23、BD=6:
A(−3,0,0),B(0,−3,0),C(3,0,0),D(0,3,0),P(−3,0,26).
中点直接取平均:
M(−23,−23,6),N(−23,23,6).
Q 是 A 到 PC 的垂足。直角三角形 PAC 里 PA=26、AC=23,
故 PC=24+12=6,斜边上的高把两条直角边投影成
PQ=PCPA2=624=4,QC=PCAC2=612=2,
即 PQ:QC=2:1,所以
OQ=OP+32PC=(−3,0,26)+32(23,0,−26)=(33,0,326).
平面 AMN 的法向量。 AM=(23,−23,6),
AN=(23,23,6)。两式相减得 y=0,相加得
3x+26z=0。取 x=22,则 z=−1:
m=(22,0,−1).
平面 QMN 的法向量。 QM=(−653,−23,36),
QN=(−653,23,36)。同样相减得 y=0,
相加得 −353x+326z=0,即 53x=26z。取 z=5,
则 x=22:
n=(22,0,5).
两个法向量的 y 分量都是 0——这正是”MN 垂直于平面 PAC“在坐标里的样子:
两个平面都含 MN,法向量必与 MN∥OD 垂直,所以都躺在 xOz 平面(即平面 PAC)里。
cos⟨m,n⟩=3⋅338−5=3333=3333.
别在这一步收笔。 法向量夹角与二面角要么相等要么互补,3333 与
−3333 都还在候选里,符号得自己定。
有一种定法不需要看图,也不需要借别的解法:坐标已经全在手上,直接把平面角算出来。
取 MN 的中点
E=2M+N=(−23,0,6),
那么
EA=A−E=(−23,0,−6),EQ=Q−E=(653,0,−36).
两个向量的 y 分量都是 0,而 MN=(0,3,0),所以
EA⋅MN=0,EQ⋅MN=0.
E 在棱 MN 上,两条射线又都垂直于棱,且 A、Q 分别在 MN 分出的两个半平面内——
按定义 ∠AEQ 就是二面角 A-MN-Q 的平面角。算它:
EA⋅EQ=−125⋅3+36=−45+2=43>0.
点积是正的,平面角是锐角,所以那两个候选里要取正号。
(顺带一句:EA 本来就躺在平面 AMN 里,所以 EA⋅m=0 是恒成立的,
对”取哪一侧”零信息——别拿这种恒为零的点积当定号依据,它看着像在验证,其实什么也没说。)
所求余弦值为 3333。
解法二:原卷方法二——由全等推出两个等腰,∠AEQ 是平面角,再连用三次余弦定理
不建系也能做,代价是要先说清楚”平面角在哪”。
120∘ 菱形里 AC=AB=BC=DA=23,即 A 到 B、C、D 三点等距。
又 PA⊥ 底面,所以 PA⊥AB、PA⊥AC、PA⊥AD,三个直角三角形全等,
PB=PC=PD=12+24=6.
于是 △PBC≅△PDC(三边对应相等)。M、N 是 PB、PD 的中点、
Q 在公共边 PC 上,这个全等把 M↦N、Q↦Q,故
QM=QN.
另一边,在直角三角形 PAB 中 AM 是斜边上的中线,AM=21PB=3;同理 AN=3。
再由中位线 MN=21BD=3——△AMN 是边长 3 的正三角形。
取 MN 的中点 E。等腰给出 AE⊥MN、QE⊥MN,两条射线又都从 E 出发,
所以 ∠AEQ 就是二面角 A-MN-Q 的平面角。
第一次余弦定理(其实是勾股):AE=9−49=233。
第二次,在 △PBC 里(三边 6,6,23)求顶角:
cos∠BPC=2⋅6⋅636+36−12=7260=65.
再在 △PMQ 里(PM=3,PQ=4,夹角就是 ∠BPC):
MQ2=9+16−2⋅3⋅4⋅65=5,MQ=5.
于是 QE=MQ2−ME2=5−49=211。
第三次,在 △AEQ 里(AE=233,QE=211,AQ=22):
cos∠AEQ=2⋅233⋅211427+411−8=233323=331=3333.
这条路的好处是答案自带符号:算出来是正数,就说明是锐角,不存在解法一那个”要不要取补角”的问题。
解法三:认出 △PAC 是 MN 的中垂面——立体题当场降成一张平面图,∠AEQ 用两个向量算完
冷启动里已经证了:MN⊥ 平面 PAC,且 MN 的中点 E 在平面 PAC 上。
棱的垂面里量二面角这条套路直接给出:平面角 =∠AEQ,而 A、E、Q 三点
全在平面 PAC 上。所以下面这一整段,只需要一张平面图。
在平面 PAC 内建一套平面坐标(这不是空间建系,只是给一张平面图配尺子):
以 A 为原点、AC 为横轴、AP 为纵轴(两者垂直,是题给的)。
A(0,0),C(23,0),P(0,26),O(3,0),E=2P+O=(23,6).
Q 在 CP 上距 C 为 2,方向 6CP=(−33,36):
Q=(23,0)+2(−33,36)=(343,326).
两个向量:
EA=(−23,−6),EQ=(343−23, 326−6)=(653,−36).
EA⋅EQ=−125⋅3+36=−45+2=43,
∣EA∣=43+6=233,∣EQ∣=3675+96=3699=211.
cos∠AEQ=233⋅2113/4=43333/4=3333.
点积是正的,角是锐角,符号问题当场解决。
比一比:解法一要写 7 个空间点的坐标、解两次方程组;这里只写 5 个平面点,
而且 AE、QE 的长度是算出来的副产品,不必像解法二那样绕 △PBC 转一圈。
降维的关键不在会不会算,而在肯不肯先去证 BD⊥ 平面 PAC 这一句。
解法四:一个坐标都不设——取 {AB,AD,AP} 当基底,第(Ⅰ)问一行,第(Ⅱ)问只用两个内积
底面是菱形而不是矩形,铺坐标要先解出各顶点,3 满天飞。
换个做法:三条从 A 出发的棱不共面,直接拿它们当基底。记
b=AB,d=AD,p=AP.
内积表只有三个数要算(其余由对称性):
∣b∣2=∣d∣2=12,b⋅d=12cos120∘=−6,p⋅b=p⋅d=0,∣p∣2=24.
第(Ⅰ)问,一行。 AM=21(p+b),AN=21(p+d),故
MN=AN−AM=21(d−b)=21BD,
即 MN∥BD;BD 在平面 ABCD 内而 MN 不在,故 MN∥ 平面 ABCD。
顺手把结构事实也验了。 记 c=AC=b+d,则
∣c∣2=12+12+2(−6)=12,BD⋅c=(d−b)⋅(d+b)=∣d∣2−∣b∣2=0,BD⋅p=0.
∣c∣2=12 就是 AC=23;后两式说 BD 同时垂直于 AC 与 AP,
而这两个向量不共线、张成的正是平面 PAC,所以 BD⊥ 平面 PAC;
再由上面那一行 MN=21BD 得
MN⊥平面 PAC.
菱形对角线互相垂直,在基底里是”两边等长”的一句话,不需要画图。
第(Ⅱ)问,两个点都在基底里解出来,不引外部长度。
先定 E。取 MN 的中点,则
AE=2AM+AN=21⋅2(p+b)+(p+d)=21p+41c.
注意这个式子同时说了两件事:E 是 MN 的中点(定义如此),
而 21p+41c=21(p+21c)=2AP+AO
说明它又是 PO 的中点,也就是落在平面 PAC 上。
配上上面证出的 MN⊥ 平面 PAC:E 在棱上、EA 与 EQ 都在这张垂面里因而都垂直于棱,
所以 ∠AEQ 是二面角 A-MN-Q 的平面角。
再定 Q。设 AQ=(1−t)p+tc(即 Q 在 PC 上,从 P 走到 C 的比例是 t),
由 AQ⊥PC 即 AQ⋅(c−p)=0:
[(1−t)p+tc]⋅(c−p)=−(1−t)∣p∣2+t∣c∣2=−24(1−t)+12t=36t−24=0,
故 t=32,
AQ=31p+32c.
PQ=4、QC=2 这两个长度一次都没用上——垂足的位置由一个点积方程定出来。
EA=−41c−21p,EQ=AQ−AE=125c−61p.
因为 c⋅p=0,展开后交叉项全灭:
EA⋅EQ=−485∣c∣2+121∣p∣2=−485⋅12+121⋅24=−45+2=43,
∣EA∣2=161⋅12+41⋅24=427,∣EQ∣2=14425⋅12+361⋅24=1225+128=411.
cos∠AEQ=233⋅2113/4=3333.
注意这条路只用到 ∣c∣2=12 与 c⋅p=0 两个数:
120∘ 这个角只在算 ∣c∣2 时露过一次面,之后再没出现。
换句话说,把底面换成任何”对角线 AC=23、且 BD⊥AC“的四边形,
答案一字不改。
回头看这条路的自足性。 全程只用了题面给的边长、顶角、PA 与垂直关系:
MN∥BD、MN⊥ 平面 PAC、E 既是 MN 的中点又落在平面 PAC 上、
Q 由一个点积方程定出——”∠AEQ 是平面角”这一句是在本解法内证出来的,
不是凭”E 是中点”白拿的,也没有借用别条路的任何结论。
四条路怎么选
| 路 | 要不要坐标 | 找平面角靠什么 | 代价 |
|---|
| 一(原卷) | 空间直角坐标系,7 个点 | 不找,直接算法向量 | 最机械;但结尾必须自己定符号 |
| 二(原卷) | 不要 | 两个等腰三角形(靠全等) | 三次余弦定理,cos∠BPC 那一步最容易算错 |
| 三 | 只要一张平面图上的二维坐标 | 棱的垂面 PAC | 需要先证 BD⊥ 平面 PAC,之后最短 |
| 四 | 完全不要 | 同上 | 要老实展开点积;底面越”不方便建系”越划算 |
四条路的分水岭其实只有一个问题:肯不肯花两行去证 BD⊥ 平面 PAC。
证了,路三、路四都只剩两个向量的点积;不证,就得像路一那样把整个空间坐标铺满,
或者像路二那样绕全等和三次余弦定理。
一句话带走
二面角的棱如果垂直于某个平面,那这个二面角整个躺在那张平面里。
本题的棱 MN 平行于菱形对角线 BD,而 BD 同时垂直于另一条对角线 AC 与侧棱 PA,
BD⊥ 平面 PAC 是白给的——于是别急着建系,先去看那张平面图:
△PAC 里的 E(PO 中点)、Q(A 到 PC 的垂足)、A,
三点一夹角,3333 就出来了。