问题30转化与化归思想解决立体几何中的探索性问题 一、考情分析 立体几何中的探究性问题既能够考查学生的空间想象力，又可以考查学生的意志力和探究意识，逐步成为近几年高考命题的热点和今后命题的趋势之一，探究性问题主要有两类一是推理型，即探究空间中的平行与垂直关系，可以利用空间线面关系的判定与性质定理进行推理探究；
二是计算型，即对几何体中的空间角与距离、几何体的体积等计算型问题的有关探究，此类问题多通过求角、求距离、体积等的基本方法把这些探究性问题转化为关于某个参数的方程，根据方程解的存在性来解决. 二、经验分享 1.对命题条件的探索常采用以下三种方法 1先猜后证，即先观察与尝试给出条件再给出证明. 2先通过命题成立的必要条件探索出命题成立的条件，再证明充分性. 2把几何问题转化为代数问题，探索出命题成立的条件. 2.对于存在判断型问题，解题的策略一般为先假设存在，然后转化为“封闭型”问题求解判断，若不出现矛盾，则肯定存在；
若出现矛盾，则否定存在.这是一种最常用也是最基本的方法对命题结论的探索，常从条件出发，探索出要求的结论是什么，另外还有探索的结论是否存在.求解时，常假设结论存在，再寻找与条件相容还是矛盾的结论. 3.解决立体几何中的探索性问题的步骤 第一步写出探求的最后结论；
第二步证明探求结论的正确性；
第三步给出明确答案；
第四步反思回顾，查看关键点、易错点和答题规范． 三、题型分析 一 空间线面关系的探索性问题 1.空间平行关系的探索性问题 【例1】如图，在正三棱柱ABC－A1B1C1中，点D在边BC上，AD⊥C1D． （1）求证AD⊥平面BC C1 B1；
（2）设在棱上是否存在点，使得A1E∥平面ADC1请给出证明． 【分析】（1）利用正棱柱的性质侧棱与底面垂直，得到面，从而，然后结合已知即可得证；
（2）根据正三棱柱的性质即可判断点的存在性，当为棱的中点时，有，从而可证A1E∥平面ADC1. 【解析】（1）在正三棱柱中，C C1⊥平面ABC，AD平面ABC， ∴ AD⊥C C1． 又AD⊥C1D，C C1交C1D于C1，且C C1和C1D都在面BC C1 B1内， ∴ AD⊥面BC C1 B1． （2）存在点，当点为棱的中点时，A1E∥平面ADC1. 由（1），得AD⊥BC．在正三角形ABC中，D是BC的中点． 当E为B1C1的中点时，A1E∥平面ADC1． 事实上，正三棱柱ABC－A1B1C1中，四边形BC C1 B1是矩形，且D、E分别是BC、B1C1的中点，所以B1B∥DE，B1B DE． 又B1B∥AA1，且B1BAA1， ∴DE∥AA1，且DEAA1． 所以四边形ADE A1为平行四边形， 所以E A1∥AD． 而E A1面AD C1内，故A1E∥平面AD C1． 【点评】线面平行与垂直是高考考查空间线面关系证明的两个重点，此类探究性问题的求解，一定要灵活利用空间几何体的结构特征，注意其中的平行与垂直关系，如该题中正棱柱中侧棱与底面垂直关系的应用；
为棱的中点时，有等的灵活应用，帮助我们能够准确地判断探究性问题的结论，丙直接迅速地把握证明的思路. 【小试牛刀】【湖南省怀化市2019届高三3月第一次模拟】如图，四棱锥的底面是正方形，每条侧棱的长都是底面边长的倍，为侧棱上的点. （1）求证；
（2）若平面，求二面角的大小；
（3）在（2）的条件下，侧棱上是否存在一点，使得平面.若存在，求的值；
若不存在，试说明理由. 【解析】（1）连交于，由题意. 在正方形中，， 所以平面，得 （2）由题设知，连，设交于于，由题意知平面.以为坐标原点，，，分别为轴、轴、轴正方向，建立坐标系如图. 设底面边长为，则高. 则，， 又平面， 则平面的一个法向量， 平面的一个法向量， 则， 又二面角为锐角，则二面角为；
（3）在棱上存在一点使平面.由（2）知是平面的一个法向量， 且， 设， 则 又平面，所以， 则. 即当时， 而不在平面内，故平面. 2.空间垂直关系的探索性问题 【例2】棱长为2的正方体中，E为棱的中点，F为棱的中点. 1求证；
2求在线段上是否存在点G，使⊥面DFG.试证明你的结论. 【分析】（1）先根据正方体的性质得到，，进而证明面，故可得到结论；
（2）首先根据正方体的结构特征确定点G的存在性和具体位置，然后进行证明. 【解析】（1）连接，， 由正方体的性质可知，， 所以面， 所以. 2 存在点G，当点G为点，⊥面DFG. 证明如下 由1 知，取CD的中点H，连AH, EH . 由DFAH , DFEH，AHEH H ， 得DF平面AHE， 所以DFAE. 又因为，所以⊥面DFA1，即⊥面DFG. 【点评】以特殊几何体为背景的空中线面关系的探究性问题，很容易忽视几何体中的一些特殊的平行、垂直关系，导致探究性问题的结论、证明的思路受阻.如该题中（1）问需要利用棱与一组平行平面垂直的性质得到线面垂直关系，作为证明的起点；
（2）问如果忽视（1）中结论的应用，则就无法判断结果，无法进行证明. 【小试牛刀】【江西省吉安市2019届期末】如图，四面体中，平面，，，． 证明平面；
在线段上是否存在点，使得，若存在，求的值，若不存在，请说明理由． 【解析】由题设知，， ，， 平面ABC，， ，平面PAB． 点D为PC的中点，且，使得． 理由如下 在平面ABC内，过点B作，垂足为E， 在平面PAC内，过点E作，交PC于点D，连结BD， 由平面ABC，知，， 平面DBE， 平面DBE，， 在中，，点E为AC的中点，则点D为PC的中点， 在中，，，， ． 二 空间角的探索性问题 【例3】如图，在四棱锥中平面，且， ． （1）求证；
（2）在线段上，是否存在一点，使得二面角的大小为45，如果存在，求与平面所成角的正弦值，如果不存在，请说明理由． 【分析】（1）证明线线垂直，一般利用线面垂直性质定理，即从线面垂直出发给予证明，而线面垂直的证明，需要利用线面垂直判定定理先根据平几知识寻找线线垂直，如由等腰三角形性质得，又由条件平面，得线线垂直，这样就转化为线面垂直平面，即得（2）研究二面角大小，一般利用空间向量比较直接先根据题意建立恰当的直角坐标系，设立各点坐标，利用方程组求各面法向量，根据向量数量积求两法向量夹角，最后根据二面角与法向量夹角关系列方程组，解出点坐标，确定点位置，再利用线面角与向量夹角互余关系求与平面所成角的正弦值 【解析】 （1）证明 如图，由已知得四边形是直角梯形， 由已知， 可得是等腰直角三角形，即， 又平面，则，所以平面，所以．．．．．．．．．．．．．．4分 （2）存在． 法一（猜证法） 观察图形特点，点可能是线段的中点， 下面证明当是线段的中点时，二面角的大小为45． 过点作于，则，则平面． 过点作于，连接， 则是二面角的平面角， 因为是线段的中点，则，在四边形求得，则． 在三棱锥中，可得，设点到平面的距离是，， 则，解得． 在中，可得， 设与平面所成的角为，则． 法二（作图法） 过点作于，则，则平面， 过点作于，连接，则是二面角的平面角． 若，则，又，易求得， 即是线段的中点． （以下同解法一） 法三（向量计算法） 建立如图所示空间直角坐标系，则． 设，则的坐标为． 设是平面的一个法向量，则 ，得，则可取． 又是平面的一个法向量， 所以， 此时平面的一个法向量可取， 与平面所成的角为，则． 【点评】空间角的探究性问题要注意两个方面一是空间角的正确表示，即利用直线的方向向量和平面的法向量表示空间角时要注意两者的准确转化；
二是注意我们再利用方程判断存在性时，要特别注意题中的条件限制，如点在线段上等. 【小试牛刀】如图，在直三棱柱中，，，是的中点． （1）求证平面；
（2）求二面角的余弦值；
（3）试问线段上是否存在点，使与成 角若存在，确定点位置，若不存在，说明理由． 【解析】（1）证明连结，交于点，连结. 由是直三棱柱， 得 四边形为矩形，为的中点. 又为中点，所以为中位线， 所以， 因为 平面，平面， 所以平面. （2）解由是直三棱柱，且，故两两垂直. 如图建立空间直角坐标系. 则，，，，. 所以，. 设平面的法向量为，则有， 所以， 取，得. 易知平面的法向量为. 由二面角是锐角，得. 所以二面角的余弦值为. （3）解假设存在满足条件的点. 因为在线段上，，，故可设，其中. 所以，. 因为与成角，所以 即，解得， 所以当点为线段中点时，与成角. 【例4】如图，直四棱柱中，侧棱，底面是菱形，，，为侧棱上的动点． （1）求证；
（2）在棱上是否存在点，使得二面角的大小为试证明你的结论. 【分析】（1）利用直四棱柱的结构特征，证明AC⊥平面BB1D1D即可得证结论.（2）可以利用空间线面关系做出二面角的平面角，根据二面角的大小列出方程，依据方程解的情况进行判断. 【解析】（1）连接BD，则AC⊥BD， ∵D1D⊥底面ABCD，∴AC⊥D1D ∴AC⊥平面BB1D1D， ∵D1P平面BB1D1D，∴D1P⊥AC． （2）存在这样的点P，下证明之. 连接D1O，OP， ∵D1AD1C，∴D1O⊥AC，同理PO⊥AC， ∴∠D1OP是二面角D1ACP的平面角． ∴∠D1OP 120． 设， ∵60，则， ∴． 在中，． 在中，由余弦定理 得，即．----10分 整理得，解得或（舍）． ∴棱上是否存在点，使得二面角的大小为，此时． 【点评】空间线面关系、空间角的探究问往往与空间线面关系的证明、空间角与距离的求解相结合综合命题，解决此类探究性问题可从两个角度解决，一是直接利用传统的几何方法进行逻辑推理，必须熟练掌握特殊几何体的结构特征，注意平行与垂直关系的利用；
二是直接利用向量法，此种方法简单直接，但也存在这很多易错易混的问题，特别是直线的方向向量与平面的法向量之间的运算与空间线面关系、空间角之间的正确转化是一个易错点.要熟记结论，灵活运用几何体的结构特征进行判断，准确进行两类关系之间的转化. 【小试牛刀】 在四棱锥中，底面是正方形，侧面底面，且，分别为的中点. （1）求证平面；
（2）在线段上是否存在点，使得二面角的余弦值为，若存在，请求出点的位置；
若不存在，请说明理由. 【答案】（1）证明见解析；
（2）存在，为的中点. 【解析】（1）证明连接，由正方形性质可知，与相交于点， 所以，在中，． 又平面平面． 所以平面． （2）取的中点，连接， 因为，所以， 又因为侧面底面，交线为，所以平面， 以为原点，分别以射线和为轴，轴和轴建立空间直角坐标系， ，不妨设． 则有，假设在上存在点， 则． 因为侧面底面，交线为，且底面是正方形， 所以平面，则， 由得， 所以，即平面的一个法向量为． 设平面的法向理为，由即，亦即，可取． 所以． 解得（舍去）． 所以线段上存在点，且为的中点，使得二面角的余弦值为． （三）空间距离的探索性问题 【例5】如图，已知平面是等腰直角三角形，其中，且. 1在线段上是否存在一点，使平面 2求线段上是否存在点，使得点到面的距离等于1如果存在，试判断点的个