(鲁京津琼专用)2020版高考数学大一轮复习-8.7立体几何中的向量方法(二)教案(含解析)

余年寄山水
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2020年08月16日 06:09
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美德在我身边-呼啸山庄读后感


§8.7 立体几何中的向量方法(二)——求空间角和距离
最新考纲
1. 能用向量方法解决线线、线面、面面的
夹角的计算问题.2.体会向量方法在研究几何问题中的作用.

1




1.两条异面直线所成角的求法
设
a
,
b
分别是两异面直线
l
1
,
l< br>2
的方向向量,则

范围

求法


2.直线与平面所成角的求法
l
1
与
l
2
所成的角
θ a
与
b
的夹角
β

[0,π]

0,
π



2


|
a
·
b
|
cos
θ
=

|< br>a
||
b
|
a
·
b
cos
β
=
|
a
||
b
|
设直线
l
的方向向量 为
a
,平面
α
的法向量为
n
,直线
l
与平 面
α
所成的角为
θ
,
a
与
n
|
a
·
n
|
的夹角为
β
,则sin
θ
=|co s
β
|=.
|
a
||
n
|
3.求二面角的大小

2


(1)如图①,
AB
,
CD
分别是二面角
α
-
l
-
β
的两个面内与棱
l
垂直的直线,则二面角 的大
→→
小
θ
=〈
AB
,
CD
〉.

(2)如图②③,
n
1
,
n
2
分别是二 面角
α
-
l
-
β
的两个半平面
α
,
β
的法向量,则二面角的
大小
θ
满足|cos
θ
|=|c os〈
n
1
,
n
2
〉|,二面角的平面角大小是向量
n
1
与
n
2
的夹角(或其补
角).
概念方法微思考

3



1.利用空间向量如何求线段长度?
提示 利用|
→
AB
|
2
=
→
AB
·
→
AB
可以求空间中有向线段的长 度.
2.如何求空间点面之间的距离?
提示 点面距离的求法:

已知
AB
为平面
α
的一条斜线段,
n
为平面
α
的法向量,则点
B
到平面
α
的距离为
|
→
BO|=|
→
AB
||cos〈
→
AB
,
n
〉|.

4



题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)两直线的方向向量所成的角就是两条直线所成的角.( × )
(2)直线的方向向量和平面的法向量所成的角就是直线与平面所成的角.( × )
(3)两个平面的法向量所成的角是这两个平面所成的角.( × )

π

π

(4)两异面直线夹角的范围是

0,

,直线与平面所成角的范围是

0,

,二面角的范围是[0,
< br>2

2

π].
( √ )
(5)若二面角< br>α
-
a
-
β
的两个半平面
α
,
β< br>的法向量
n
1
,
n
2
所成角为
θ
, 则二面角
α
-
a
-
β
的大小是π-
θ
.( × )
题组二 教材改编
2.已知两平面的法向量分别为
m
=(0,1, 0),
n
=(0,1,1),则两平面所成的二面角为( )
A.45°
C.45°或135°
答案 C
解析 cos〈
m
,
n
〉=
B.135°
D.90°
m·n
12
==,即〈
m
,
n
〉=45°. |m||n
|
1·2
2
∴两平面所成二面角为45°或180°-45° =135°.
3.如图,正三棱柱(底面是正三角形的直棱柱)
ABC
-
A
1
B
1
C
1
的底面边长为2,侧棱长为22,
则< br>AC
1
与侧面
ABB
1
A
1
所成的角为__ ____.

5



答案
π

6
→→→
解析 如图,以
A
为原点,以
AB
,AE
(
AE
⊥
AB
),
AA
1
所在直 线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴(如图)
建立空间直角 坐标系,设
D
为
A
1
B
1
的中点,
< br>→
则
A
(0,0,0),
C
1
(1,3,22),< br>D
(1,0,22),∴
AC
1
=(1,3,22),
→
AD
=(1,0,22).
∠
C
1
AD
为
AC
1
与平面
ABB
1
A
1
所成的角 ,
cos∠
C
1
AD
=
AC
1
,·AD
→
|
AC
1
||
AD
|
→
→→

1,3,22·1,0,223
==,
2
12×9

6


π

π

又∵∠
C
1
AD
∈

0,

, ∴∠
C
1
AD
=.
2

6

题组三 易错自纠
4.在直三棱柱
AB C
-
A
1
B
1
C
1
中,∠
BCA
=90°,
M
,
N
分别是
A
1
B
1
,
A
1
C
1
的中点,
BC
=
C A
=
CC
1
,
则
BM
与
AN
所成 角的余弦值为( )
12302
A.B.C.D.
105102
答案 C
解析 以点
C
为坐标原点,
CA
,
CB
,CC
1
所在直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴,建立如图所示的
空间直角坐标系.

→
设
BC
=< br>CA
=
CC
1
=2,则可得
A
(2,0,0),B
(0,2,0),
M
(1,1,2),
N
(1,0,2),∴
BM
=
→
(1,-1,2),
AN
=(-1,0,2).
→→
BM
,·
AN
→→
∴cos〈
BM
,
AN
〉=
→→
|
BM
||
AN
|
=
1×-1+-1×0+2×2
1+-1+2×-1+0+2
30
.
10
22222
=
2

6×5
3=
1
5.已知向量
m
,
n
分别是直线
l
和平面
α
的方向向量和法向量,若cos〈
m
,
n
〉=- ,则
2
l
与
α
所成的角为________.
答案 30°
1
解析 设
l
与
α
所成角为
θ
, ∵cos〈
m
,
n
〉=-,
2

7

< p>
1
∴sin
θ
=|cos〈
m
,
n
〉 |=,∵0°≤
θ
≤90°,∴
θ
=30°.
2

题型一 求异面直线所成的角
例1如图,四边形
ABCD
为菱形,∠
ABC
=120°,
E
,
F
是平面
ABCD
同一 侧的两点,
BE
⊥平
面
ABCD
,
DF
⊥平面ABCD
,
BE
=2
DF
,
AE
⊥
E C
.

8


(1)证明:平面
AEC
⊥平面
AFC
;
(2)求直线
AE
与直线
CF
所成角的余弦值.
(1)证明 如图所示,连接
BD
,设
BD
∩
AC
=
G
,连接
EG
,
FG
,
EF
.
在菱形
ABCD
中,不妨设
GB
=1.
由∠
ABC
=120°,
可得
AG
=
GC
=3.
由
BE
⊥平面< br>ABCD
,
AB
=
BC
=2,可知
AE
=< br>EC
.
又
AE
⊥
EC
,所以
EG
=3,且
EG
⊥
AC
.
在Rt△
EBG
中,可得
BE
=2,故
DF
=
2
2
.
在Rt△
FDG
中,可得
FG
=
6
2
.

9


在直角梯形
BDFE
中 ,由
BD
=2,
BE
=2,
DF
=
以
EG
⊥
FG
.
又
AC
∩
FG
=
G< br>,
AC
,
FG
⊂平面
AFC
,
所以
EG
⊥平面
AFC
.
因为
EG
⊂平 面
AEC
,所以平面
AEC
⊥平面
AFC
.
23 2
222
,可得
EF
=,从而
EG
+
FG
=
EF
,所
22
→
(2)解 如图,以
G
为坐标原 点,分别以
GB
,
GC
所在直线为
x
轴、
y
轴,|
GB
|为单位长度,
建立空间直角坐标系
Gxyz
,

由(1)可得
A
(0,-3,0),
E
(1,0,2),
F

-1,0,


2


,
2

C
(0,3,0),
2

→→
< br>所以
AE
=(1,3,2),
CF
=

-1,-3,

.
2

→→
AE
,·
CF
3
→→
故cos〈
AE
,
CF
〉==-.
→→3
|
AE
||
CF
|
所以直线
AE
与直线< br>CF
所成角的余弦值为
3
.
3
思维升华用向量法求异面直线所成角的一般步骤
(1)选择三条两两垂直的直线建立空间直角坐标系;
(2)确定异面直线上两个点的坐标,从而确定异面直线的方向向量;
(3)利用向量的夹角公式求出向量夹角的余弦值;
(4)两异面直线所成角的余弦值等于两向量夹角余弦值的绝对值.
跟踪训练1三棱柱
ABC
-
A
1
B
1
C
1
中,△
ABC
为等边三角形,
AA
1
⊥平面
ABC
,
AA
1
=
AB
,
N
,
M
分

10


别是
A
1
B
1
,
A
1
C
1
的中点,则
AM
与
BN
所成角的余 弦值为( )
1374
A.B.C.D.
105105
答案 C
解析 如图所示,取
AC
的中点
D
,以
D
为原点,
BD
,
DC
,
DM
所在直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴,建立空间直角坐标系,不妨设
AC
=2,则< br>A
(0,-1,0),
M
(0,0,2),
B
(-3,0, 0),
N


-
3

2
,-
1< br>2
,2



,

所以
→
AM
=(0,1,2),
→
BN
=


3

2
,-
1
2
,2
< br>

,
7
所以cos〈
→
AM
,
→
BN
〉=
AM
,
→
·
→
BN
=
2
=
7
,故选C.
|
→
AM
|·|→
BN
|
5×5
10

11


题型二 求直线与平面所成的角
例2(2018·全国Ⅰ)如图,四边形ABCD
为正方形,
E
,
F
分别为
AD
,BC
的中点,以
DF
为折
痕把△
DFC
折起,使点C
到达点
P
的位置,且
PF
⊥
BF
.

(1)证明:平面
PEF
⊥平面
ABFD
;
(2)求
DP
与平面
ABFD
所成角的正弦值.
(1)证明 由已知可得
BF
⊥
PF
,
BF
⊥
EF
,
PF
∩
EF
=
F
,
PF
,
EF< br>⊂平面
PEF
,
所以
BF
⊥平面
PEF
.
又
BF
⊂平面
ABFD
,所以平面
PEF
⊥平面< br>ABFD
.
(2)解 如图,作
PH
⊥
EF
,垂足为
H
.

12



由(1)得,
PH
⊥平面
ABFD
.
→→
以H
为坐标原点,
HF
的方向为
y
轴正方向,|
BF|为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系
Hxyz
.
由(1)可得,
DE
⊥
PE
.
又
DP
=2,
DE
=1,
所以
PE
=3.
又
PF
=1,
EF
=2 ,所以
PE
⊥
PF
.
所以
PH
=
33
,
EH
=.
22
则
H
(0,0,0),
P

0,0,
→


3

3



,
D

-1,-
2
,0

,

2


DP
=

1,,


3
2
3

→

3


,
HP
=

0,0,

.
2

2

→
又
HP
为平面
ABFD
的法向量,
设
DP
与平面
ABFD
所成的角为
θ
,
3
→→
|
HP
,·
DP
|
4
3
→ →
则sin
θ
=|cos〈
HP
,
DP
〉|=== .
→→
3
4
|
HP
||
DP
|
所以
DP
与平面
ABFD
所成角的正弦值为
3
.
4
思维升华若直线
l
与平面
α
的夹角为
θ
,直线< br>l
的方向向量
l
与平面
α
的法向量
n
的夹< br>ππ|
l
·
n
|
角为
β
,则
θ=-
β
或
θ
=
β
-,故有sin
θ
= |cos
β
|=.
22|
l
||
n
|
跟 踪训练2(2018·全国Ⅱ)如图,在三棱锥
P
-
ABC
中,
AB
=
BC
=22,
PA
=
PB
=
PC
=
AC
=4,

13


O
为
AC
的中点.

(1)证明:
PO
⊥平面
ABC
;
(2)若点
M
在棱
BC
上,且二面角
M
-
PA
-
C为30°,求
PC
与平面
PAM
所成角的正弦值.
(1)证明 因为
PA
=
PC
=
AC
=4,
O
为
AC
的中点,
所以
OP
⊥
AC
,且
OP
=23.
如图,连接
OB
.

因为
AB
=
BC
=
2
2
AC
,
所以△
ABC
为等腰直角三角形,
所以
OB
⊥
A C
,
OB
=
1
2
AC
=2.
由
OP
2
+
OB
2
=
PB
2
知
PO
⊥
OB
.


14


因为
OP
⊥
OB
,
OP
⊥
AC
,
OB
∩
AC
=
O
,
OB
,
AC
⊂平面
ABC
,
所以
PO
⊥平面
ABC
.
(2)解 由(1)知
OP
,
OB
,
OC
两两垂直,则以
O< br>为坐标原点,分别以
OB
,
OC
,
OP
所在直线为< br>x
轴、
y
轴、
z
轴,建立空间直角坐标系
Oxyz< br>,如图所示.

由已知得
O
(0,0,0),
B
(2,0,0),
A
(0,-2,0),
C
(0,2,0),
P
(0,0,23),
AP
=(0,2,23).
→
由( 1)知平面
PAC
的一个法向量为
OB
=(2,0,0).
→设
M
(
a
,2-
a
,0)(0≤
a
≤ 2),则
AM
=(
a
,4-
a
,0).
设平面< br>PAM
的法向量为
n
=(
x
,
y
,
z
).
→→
由
AP
·
n
=0,
AM·
n
=0,得
→

2
y
+23
z< br>=0,


ax
+4-
a

y
= 0,
a
),

可取
y
=3
a
,得平面< br>PAM
的一个法向量为
n
=(3(
a
-4),3
a< br>,-
→
OB
,·
n
23
a
-4
→
所以cos〈
OB
,
n
〉==.
222
→23
a
-4+3
a
+
a
|
OB
, ||
n
|
3
→
由已知可得|cos〈
OB
,
n
〉|=cos30°=,
2
23|
a
-4|3
所以=,
222
2
23
a
-4+3
a
+
a
4
解得
a=-4(舍去)或
a
=.
3

15


4

8343
所以
n
=

-,,-
< br>.
33

3
3
→→
又
PC
=( 0,2,-23),所以cos〈
PC
,
n
〉=.
4
所以
PC
与平面
PAM
所成角的正弦值为
3
.
4
题型三 求二面角
例3(2018·济南模拟)如图1,在高为6的等腰梯形ABCD
中,
AB
∥
CD
,且
CD
=6,AB
=12,
将它沿对称轴
OO
1
折起,使平面
ADO
1
O
⊥平面
BCO
1
O
.如图2,点
P< br>为
BC
中点,点
E
在线段
AB
上(不同于
A
,
B
两点),连接
OE
并延长至点
Q
,使
AQ
∥
OB
.

(1)证明:
OD
⊥平面
PAQ
;
(2)若
BE
=2
AE
,求二面角
C
—
BQ
—
A
的余弦值.
(1)证明 由题设知
OA
,
OB
,
OO< br>1
两两垂直,所以以
O
为坐标原点,
OA
,
OB,
OO
1
所在直线分
别为
x
轴、
y
轴 、
z
轴,建立如图所示的空间直角坐标系,设
AQ
的长度为
m
,

16



则相关各点的坐标为
O
( 0,0,0),
A
(6,0,0),
B
(0,6,0),
C
(0,3,6),
D
(3,0,6),
Q
(6,
m,
0).

9

∵点
P
为
BC
中点,∴
P

0,,3

,

2

9
→→ →

∴
OD
=(3,0,6),
AQ
=(0,
m ,
0),
PQ
=

6,
m
-,-3
,
2

→→→→
∵
OD
·
AQ
= 0,
OD
·
PQ
=0,
→→→→→→
∴
OD⊥
AQ
,
OD
⊥
PQ
,且
AQ
与PQ
不共线,
∴
OD
⊥平面
PAQ
.
1
(2)解 ∵
BE
=2
AE
,
AQ
∥< br>OB
,∴
AQ
=
OB
=3,
2
→→
则
Q
(6,3,0),∴
QB
=(-6,3,0),
BC
=(0,-3,6).
设平面
CBQ
的法向量为
n
1
=(
x
,
y
,
z
),
→


n
1
·
QB
,=0,
∵

→


n
1
·
BC
,=0



-6
x
+3
y
=0,
∴


-3
y< br>+6
z
=0,



令
z
=1,则
y
=2,
x
=1,则
n
1
=(1,2,1),
易知平面
ABQ
的一个法向量为
n
2
=(0,0,1),
设二面角
C
—
BQ
—
A
的平面角为
θ,由图可知,
θ
为锐角,则cos
θ
=


n
1
·
n
2

=
6
.


|
n
1
|·|
n
2
|

6思维升华利用向量法求二面角的大小的关键是确定平面的法向量,求法向量的方法主要有两
种:①求 平面的垂线的方向向量;②利用法向量与平面内两个不共线向量的数量积为零,列
方程组求解.

17


»
所在平跟踪训练3(2018·全国Ⅲ)如图,边 长为2的正方形
ABCD
所在的平面与半圆弧
CD
»
上异于
C
,
D
的点. 面垂直,
M
是
CD

(1)证明:平面
AMD
⊥平面
BMC
;
(2)当三棱锥
M
-
ABC
体积最大时,求平面
MAB
与平面
MC D
所成二面角的正弦值.
(1)证明 由题设知,平面
CMD
⊥平面
ABCD
,交线为
CD
.因为
BC
⊥
CD
,BC
⊂平面
ABCD
,所以
BC
⊥平面
CMD
,又
DM
⊂平面
CMD
,
故
BC
⊥
DM
.
»
上异于
C
,
D
的点,且
DC
为直径, 因为
M
为
CD
所以
DM
⊥
CM
.
又
BC
∩
CM
=
C
,
BC
,
C M
⊂平面
BMC
,
所以
DM
⊥平面
BMC
.
又
DM
⊂平面
AMD
,故平面
AMD
⊥平面
BMC
.
→
(2)解 以
D
为坐标原点,
DA
的方向为
x< br>轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系
Dxyz
.
»
的中点.由题设得 当三棱锥
M
-
ABC
体积最大时,< br>M
为
CD
D
(0,0,0),
A
(2,0,0),< br>B
(2,2,0),
C
(0,2,0),
M
(0,1,1),

18


→
AM
=(-2,1,1),
AB
→
=(0,2,0),
DA
→
=(2,0,0),
设
n
=(
x
,
y
,
z
)是平面
MAB的法向量,则



n
·
AM
,
→
=0,
即

=0,


n
·
AB
,
→
=0,



-2
x
+y
+
z


2
y
=0.


可取
n
=(1,0,2),
→
DA
是平面
MCD
的一个法向量,因此
cos〈
n
,
→
DA
〉=
n
·
DA
,
→
5
|
n
||
DA
,
→
=,
|< br>5
sin〈
n
,
→
DA
〉=
25
5
.
所以平面
MAB
与平面
MCD
所成二面角的正弦值是< br>25
5
.



19



利用空间向量求空间角
例(12分)如图,四棱锥
S
-
ABCD< br>中,△
ABD
为正三角形,∠
BCD
=120°,
CB
=
CD
=
CS
=2,
∠
BSD
=90°.

(1)求证:
AC
⊥平面
SBD
;
(2)若< br>SC
⊥
BD
,求二面角
A
-
SB
-
C
的余弦值.
(1)证明 设
AC
∩
BD
=
O
,连接
SO
,
如图①,因为
AB
=
AD
,
CB
=
CD
,

20


所以
AC
是
BD
的垂直平分线,
即
O
为
BD
的中点,
且
AC
⊥
BD
.[1分]
在△
BCD
中,
因为
CB
=
CD
=2,∠
BCD
=120°,
所以
BD
=23,
CO
=1.
在Rt△
SBD< br>中,因为∠
BSD
=90°,
O
为
BD
的中点,
所以
SO
=
1
2
BD
=3.
在△
SOC
中,因为
CO
=1,
SO
=3,
CS
=2 ,
所以
SO
2
+
CO
2
=
CS
2
,所以
SO
⊥
AC
.[4分]
因为
BD
∩
SO
=
O
,
BD
,
SO
⊂平面
SBD
,
所以
AC
⊥平面
SBD
.[5分]
(2)解 方法一 过点
O
作
OK
⊥
SB
于点K
,连接
AK
,
CK
,如图②,

21



由(1)知
AC
⊥平面
SB D
,所以
AO
⊥
SB
.
因为
OK
∩AO
=
O
,
OK
,
AO
⊂平面
AOK
,所以
SB
⊥平面
AOK
.[6分]
因为
AK< br>⊂平面
AOK
,所以
AK
⊥
SB
.
同理可证
CK
⊥
SB
.[7分]
所以∠
AKC< br>是二面角
A
-
SB
-
C
的平面角.
因为
SC
⊥
BD
,
由(1)知
AC
⊥< br>BD
,且
AC
∩
SC
=
C
,
AC< br>,
SC
⊂平面
SAC
,
所以
BD
⊥平面
SAC
.
而
SO
⊂平面
SAC
,所以
SO
⊥
BD
.
在Rt△
S OB
中,
OK
=
SO
·
OB
6
=. SB
2
22
在Rt△
AOK
中,
AK
=
AO
+
OK
=
同理可求
CK
=
10
.[ 10分]
2
42
,
2
AK
2
+
CK< br>2
-
AC
2
105
在△
AKC
中,cos∠
AKC
==-.
2
AK
·
CK
35
所以 二面角
A
-
SB
-
C
的余弦值为-
105
.[12分]
35
方法二 因为
SC
⊥
BD
,由(1)知 ,
AC
⊥
BD
,且
AC
∩
SC
=
C
,
AC
,
SC
⊂平面
SAC
,所以
BD
⊥平
面
SAC
.
而
SO
⊂平面
SAC< br>,所以
SO
⊥
BD
.[6分]
由(1)知,
AC< br>⊥平面
SBD
,
SO
⊂平面
SBD
,
所以
SO
⊥
AC
.

22

因为
AC
∩
BD
=
O
,
AC
,
BD
⊂平面
ABCD
,
→→→
所以
SO
⊥平面
ABCD
.[7分]以
O
为原点,
OA
,
OB,
OS
的方向分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴的正方
向建立空间直角坐标系,如图③,

则
A
(3,0,0) ,
B
(0,3,0),
C
(-1,0,0),
S
(0,0, 3).
所以
→
AB
=(-3,3,0),
→
CB
=(1,3,0),
→
SB
=(0,3,-3).[8分]
设平面
SAB
的法向量
n
=(
x
1
,
y
1,
z
1
),

则


AB
,
→
·
n
=-3
x
1
+3
y
1< br>=0,



SB
,
→
·
n
=3
y
1
-3
z
1
=0,

令
y
1
=3,得平面
SAB
的一个法向量为
n
=(1,3,3 ).
同理可得平面
SCB
的一个法向量为
m
=(-3,1,1). [10分]
所以cos〈
n
,
m
〉=
n
·
m
-3+3+3105
|
n
||
m
|
=
7×5
=
35
.
因为二面角
A
-
SB
-
C
是钝角,所以二面角
A
-
SB
-
C
的余 弦值为-
105
35
.[12分]

23



利用向量求空间角的步骤
第一步:建立空间直角坐标系,确定点的坐标;
第二步:求向量(直线的方向向量、平面的法 向量)坐标;
第三步:计算向量的夹角(或函数值),并转化为所求角.

24




1.已知两平面的法向量分别为
m
=(1,-1,0),
n
=(0,1,-1),则两平面所成的二面角
为( )
A.60°
C.60°或120°
答案 C
解析 cos〈
m
,
n
〉=
即〈
m
,
n
〉=120°.
∴两平面所成二面角为120°或180°-120°=60°.
2.如图,在空间直角坐标 系中有直三棱柱
ABC
-
A
1
B
1
C
1< br>,
CA
=
CC
1
=2
CB
,则直线
BC
1
与直线
AB
1
所成角的余弦值为( )
B.120°
D.90°
m·n
-11
==-,
|m||n
|2
2·2

A.

5

5
B.
5

3
25


C.
5

6
D.
5

4
答案 A
解析 设
CA
=2,则
C
(0,0, 0),
A
(2,0,0),
B
(0,0,1),
C
1
(0,2,0),
B
1
(0,2,1),
→→
AB
1·
BC
1
→→→
可得向量
AB
1
=(-2,2 ,1),
BC
1
=(0,2,-1),由向量的夹角公式得cos〈
AB1
,
BC
1
〉=
→→
|
AB
1
||
BC
1
|
→
=
0+4-1
4+4+1×0+ 4+1
=
1
5
=
5
,故选A.
5
3.在 正方体
ABCD
-
A
1
B
1
C
1
D
1
中,点
E
为
BB
1
的中点,则平面
A
1
ED
与平面
ABCD
所成的锐二面
角的余弦值为( )
1232
A.B.C.D.
2332
答案 B
解析 以
A
为原点,
AB
,
AD
,
AA
1
所在直线 分别为
x
轴,
y
轴,
z
轴,建立如图所示的空间直
角坐标系
Axyz
,设棱长为1,

1

则
A
1
(0,0,1),
E

1,0,

,
D
(0,1,0),
2

1

→→

∴
A
1
D
=(0,1,-1),
A
1
E
=< br>
1,0,-

.
2

设平面
A
1
ED
的一个法向量为
n
1
=(1,
y
,
z
),
→


A
1
D
,·
n
1
=0,
则有

→


A
1E
,·
n
1
=0,
∴
n
1
=(1,2 ,2).

26

y
-
z
=0,
< br>
即

1
1-
z
=0,


2



y
=2,
∴


< br>z
=2,


∵平面
ABCD
的一个 法向量为
n
2
=(0,0,1),
22
∴cos〈
n
1
,
n
2
〉==,
3×13
2
即所成的锐二面角的余弦值为.
3
4.在正方体
ABCD
—
A
1
B
1
C
1
D
1
中,
AC
与
B
1
D
所成角的大小为( )
ππππ
A.B.C.D.
6432
答案 D
解析 以
A
为坐标原点,
AB
,
AD
,
AA
1
所在 直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴,建立如图所示的空
间直角坐标系,设正方体的边长为1,

则
A
(0,0,0),
C
(1,1,0),
B
1
(1,0,1),
D
(0,1,0) .
→→
∴
AC
=(1,1,0),
B
1
D
=(-1,1,-1),
→→
∵
AC
·
B
1
D
=1×(-1)+1×1+0×(-1)=0,
π
→→
∴
AC⊥
B
1
D
,∴
AC
与
B
1
D
所成的角为.
2
5.(2018·上饶模拟)已知正三棱柱
ABC
-
A
1
B
1
C
1
,
AB
=
AA
1
=2,则异面直线
AB
1
与
CA
1
所成角
的余弦值为( )
111
A.0B.-C.D.
442
答案 C
解析 以
A
为原点,在平面
ABC
内过
A
作
AC
的垂线为
x
轴,以
AC
所 在直线为
y
轴,以
AA
1
所在直线为
z
轴,建立空 间直角坐标系,

27



则
A
(0,0 ,0),
B
1
(3,1,2),
A
1
(0,0,2),C
(0,2,0),
AB
1
=(3,1,2),
A
1
C
=(0,2,-2),
设异面直线
AB
1
和
A
1
C
所成的角为
θ
,
→→
|
AB
1
·
A
1
C
||-2|1
则cos
θ
= ==.
→→
8·8
4
|
AB
1
|·|
A
1
C
|
1
∴异面直线
AB
1
和
A
1
C
所成的角的余弦值为.
4
6.(2018·上海松江、闵行区 模拟)如图,点
A
,
B
,
C
分别在空间直角坐标系
O
-
xyz
的三条
→
坐标轴上,
OC
=(0,0, 2),平面
ABC
的法向量为
n
=(2,1,2),设二面角
C-
AB
-
O
的大
小为
θ
,则cos
θ
等于( )
→→

4522
A.B.C.D.-
3333

28


答案 C
→
解析 由题意可知,平面
ABO
的一个法向量为
OC
=(0,0,2),
由图可知,二面角
C
-
AB
-
O
为锐角,
→
|
OC
,·
n
||4|2
由空间向量的结论可知,co s
θ
===.
→2×33
|
OC
,||
n
|
7.在三棱锥
P
-
ABC
中,
PA
⊥平面ABC
,∠
BAC
=90°,
D
,
E
,
F
分别是棱
AB
,
BC
,
CP
的中
点,
AB
=
AC
=1,
PA
=2,则直线
PA
与平面
DEF
所成角的正弦值为________.
答案
5

5
解析 以
A
为原点,
AB
,
AC
,AP
所在直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴建立如 图所示的空间直角
坐标系,

由
AB
=
AC
=1,
PA
=2,
得
A
(0,0,0),
B
(1,0,0),

C
(0,1,0),
P
(0,0,2),
D

,0,0
,


E

,,0

,< br>F

0,,1

.

→→

1

∴
PA
=(0,0,-2),
DE
=

0,,0

,

2

→
11

22
1
2
1

2

DF
=

-,,1

.

设平面
DEF
的法向量为
n
=(
x
,
y
,
z
),
11

22

29


→


n
·
DE
,=0,
则由

→


n
·
DF
,=0,

得


y
=0,



-
x
+
y
+2z
=0.


→
取
z
=1,则
n=(2,0,1),设直线
PA
与平面
DEF
所成的角为
θ,则sin
θ
=|cos〈
n
,
PA
〉
→|
PA
,·
n
|5
|==,
→5
|
PA
,||
n
|
∴直线
PA
与平面
DEF
所成角的正弦值为
5
.
5
8.如图,在正方形
ABCD
中 ,
EF
∥
AB
,若沿
EF
将正方形折成一个二面角后,AE
∶
ED
∶
AD
=
1∶1∶2,则
AF与
CE
所成角的余弦值为________.

4
答案
5
解析 ∵
AE
∶
ED
∶
AD
=1∶1∶2,
∴
AE
⊥
ED
,即
AE
,
DE
,
EF
两两垂直,
所以建立如图所示的空间直角坐标系,

30



设
AB
=
EF
=
CD
=2,
则
E
(0,0,0),
A
(1,0,0),
F
(0,2,0),
C
(0,2,1),
→→
∴
AF
=(-1,2,0),
EC
=(0,2,1),
→→
AF
,·
EC
4
→→
∴cos〈
AF
,
EC
〉==,
→→5
|
AF
||
EC
|
4
∴
AF
与
CE
所成角的余弦值为.
5
9.如图所示,在三棱柱
ABC
—
A
1
B
1C
1
中,
AA
1
⊥底面
ABC
,
AB
=
BC
=
AA
1
,∠
ABC
=90°,点
E
,
F
分别是棱
AB
,
BB
1
的 中点,则直线
EF
和
BC
1
所成的角是__________.

答案 60°
解析 以
B
点为坐标原点,以
BC
所在直线为
x
轴,
BA
所在直线为
y
轴,
BB< br>1
所在直线为
z
轴,建立空间直角坐标系.设
AB
=
BC
=
AA
1
=2,

31



则
C
1
(2,0,2),
E
(0,1,0),
F< br>(0,0,1),
→→
则
EF
=(0,-1,1),
BC< br>1
=(2,0,2),
→→
∴
EF
·
BC
1
=2,
→→
EF
,·
BC
1
→→
∴cos〈
EF
,
BC
1
〉=
→→
|
EF
||
BC
1|
=
1
=,
2×22
2
2
∵异面直线所成角的范围是(0°,90°],
∴
EF
和
BC
1
所成的角为60°.
10.(2 018·福州质检)已知点
E
,
F
分别在正方体
ABCD
-
A
1
B
1
C
1
D
1
的棱
BB
1
,
CC
1
上,且
B
1
E
=
2
EB
,
CF
=2
FC
1
,则平面
AEF
与平面
ABC
所成的锐二面角的正切值为________.
答案
2

3
解析 方法一 延长
FE
,
CB
相 交于点
G
,连接
AG
,如图所示.

32



设正方体的棱长为3,则
GB
=
BC
=3 ,作
BH
⊥
AG
于点
H
,连接
EH
,则∠
EHB
为所求锐二面角
的平面角.
32
∵
BH
=,
EB
=1,
2
∴tan∠
EHB
==
EB
BH
2
.
3
方法二 如图,以点
D
为坐标原点,
DA
,
DC
,
DD
1
所在直线分别为
x
轴、
y
轴、< br>z
轴,建立空
间直角坐标系
Dxyz
,

设
DA
=1,由已知条件得
A
(1,0,0),
E

1,1,

,
3


1


F

0,1,
< br>,
AE
=

0,1,

,
33


2

→



1



33


→
AF
=

-1,1,

, 设平面
AEF
的法向量为
n
=(
x
,
y
,
z
),
→


n
·
AE
, =0,
由

→


n
·
AF
,= 0,


2

3


1
y
+
z
=0,


3
得

2
-< br>x
+
y
+
z
=0.


3


令
y
=1,
z
=-3,
x
=-1,则< br>n
=(-1,1,-3),
取平面
ABC
的法向量为
m
=(0,0,-1),
设平面
AEF
与平面
ABC
所成的锐二面角为
θ
,
则cos
θ
=|cos〈
n
,
m
〉|=
3 112
,tan
θ
=.
113
11.(2018·皖江八校联考) 如图,在几何体
ABC
-
A
1
B
1
C
1< br>中,平面
A
1
ACC
1
⊥底面
ABC
,四边 形
A
1
ACC
1
是正方形,
B
1
C
1
∥
BC
,
Q
是
A
1
B
的中点 ,且
AC
=
BC
=2
B
1
C
1
, ∠
ACB
=
2π
.
3

(1)证明:
B
1
Q
⊥
A
1
C
;
(2)求直线
AC
与平面
A
1
BB
1
所成 角的正弦值.
(1)证明 如图所示,连接
AC
1
与
A
1
C
交于
M
点,连接
MQ
.

34



∵四边形
A
1
ACC
1
是正方形,
∴
M
是
AC
1
的中点,
又
Q
是
A
1
B
的中点,
1
∴< br>MQ
∥
BC
,
MQ
=
BC
,
2< br>又∵
B
1
C
1
∥
BC
且
BC
=2
B
1
C
1
,
∴
MQ
∥
B
1
C
1
,
MQ
=
B
1
C
1
,
∴四边形
B
1
C
1
MQ
是平行四边 形,∴
B
1
Q
∥
C
1
M
,
∵< br>C
1
M
⊥
A
1
C
,∴
B
1
Q
⊥
A
1
C
.
(2)解 ∵平面
A1
ACC
1
⊥平面
ABC
,平面
A
1
ACC
1
∩平面
ABC
=
AC
,
CC
1< br>⊥
AC
,
CC
1
⊂平面
A
1
ACC
1
,
∴
CC
1
⊥平面
ABC
.
如图所示,以
C
为原点,
CB
,
CC
1
所在直线 分别为
y
轴和
z
轴建立空间直角坐标系,


35


令
AC
=
BC
=2
B
1
C
1
=2,
则
C
(0,0,0),
A
(3,-1,0),
A
1
(3,-1,2),
B
(0,2,0),
B
1
(0,1,2),
→→
∴
CA
=(3,-1 ,0),
B
1
A
1
=(3,-2,0),
B
1
B
=(0,1,-2),
设平面
A
1
BB
1
的法向量为
n
=(
x
,
y
,z
),
→→
则由
n
⊥
B
1
A
1
,
n
⊥
B
1
B
,
可得
< br>→

3
x
-2
y
=0,

y
-2
z
=0,

可令
y
=23,
则
x
=4,
z
=3,
∴平面
A
1
BB
1
的一个法向量
n
=(4,23,3),
设直线
A C
与平面
A
1
BB
1
所成的角为
α
, < br>→
|
n
·
CA
,|2393
则sin
α===.
→
231
31
|
n
|·|
CA,|
12.(2018·赣州模拟)如图,在四棱锥
P
-
ABCD
中,侧面
PAD
⊥底面
ABCD
,底面
ABCD
为直角梯形,其中
AB
∥
CD
,∠
CDA
=90°,
CD
=2
AB
=2,
AD
=3,
PA
=5,PD
=22,点
E
在棱
AD
上且
AE
=1,点
F
为棱
PD
的中点.

(1)证明:平面
BEF
⊥平面
PEC
;
(2)求二面角
A
-
BF
-
C
的余弦值.
(1)证明 在Rt△
ABE
中,
由
AB
=
AE
=1,得∠
AEB
=45°, 同理在Rt△
CDE
中,由
CD
=
DE
=2,得∠DEC
=45°,

36


所以∠
BEC=90°,即
BE
⊥
EC
.
在△
PAD
中,
PA
2
+
AD
2
-
PD
2
5+9 -85
cos∠
PAD
===,
2
PA
·
AD< br>2×3×5
5
在△
PAE
中,
PE
=
PA< br>+
AE
-2
PA
·
AE
·cos∠
PAE< br>=5+1-2×5×1×
所以
PE
+
AE
=
PA,即
PE
⊥
AD
.
又平面
PAD
⊥平面ABCD
,平面
PAD
∩平面
ABCD
=
AD
,
PE
⊂平面
PAD
,
所以
PE
⊥平面
ABCD
,所以
PE
⊥
BE
.
又因为
CE
∩
PE
=
E
,
CE
,
PE
⊂平面
PEC
,
所以
BE
⊥平面
PEC
,所以平面
B EF
⊥平面
PEC
.
(2)解 由(1)知
EB
,
EC
,
EP
两两垂直,故以
E
为坐标原点,以射线
EB< br>,
EC
,
EP
分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴的正半轴建立如图所示的空间直角坐标系,则
222
222
5
=4,
5

B
(2,0 ,0),
C
(0,22,0),
P
(0,0,2),
A
< br>→
→
2

22

2

D
(-2,2,0),
F

-,,1

,
,-,0

,
22

2

2

AB
=< br>
2

→

322

2
,,0< br>
,
BF
=

-,,1

,
22

2

2

BC
=(-2,22,0), 设平面
ABF
的法向量为
m
=(
x
1
,
y
1
,
z
1
),
22
→

m
·
AB
,=
x
+
y
=0,

22
则

322
→
m
·
BF
=-
x< br>+
y
+
z
=0,


22
11111



37


不妨设
x
1
=1,则
m
=(1,-1,22),
设平面
BFC
的法 向量为
n
=(
x
2
,
y
2
,
z< br>2
),

n
·
BC
,
→
=-2< br>x
+22
y
=0,
则

322
→
n
·
BF
,=-
x
+
y
+
z
=0,

22
22
222


不妨设
y
2
=2,则
n
=(4,2,52),
记 二面角
A
-
BF
-
C
为
θ
(由图知应为钝 角),
|
m
·
n
||4-2+20|117
则cosθ
=-=-=-,
|
m
|·|
n
|35
10 ·70
117
故二面角
A
-
BF
-
C
的余 弦值为-.
35

13.如图,在四棱锥
S
-
ABCD< br>中,
SA
⊥平面
ABCD
,底面
ABCD
为直角梯形 ,
AD
∥
BC
,∠
BAD
=
90°,且
A B
=4,
SA
=3.
E
,
F
分别为线段
B C
,
SB
上的一点(端点除外),满足==
λ
,
当实数λ
的值为________时,∠
AFE
为直角.
SFCE
BFBE

38



答案
9

16
解析 因为
SA
⊥平面
ABCD
,∠
BAD
=90°,
以
A
为坐标原点,
AD
,
AB
,
AS
所在 直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴,建立如图所示的空间直角< br>坐标系
Axyz
.

∵
AB
=4,
SA
=3,
∴
B
(0,4,0),
S
(0,0,3).
设
B C
=
m
,则
C
(
m
,4,0),
SFC E
→→
∵==
λ
,∴
SF
=
λFB
. < br>BFBE
→→→→
∴
AF
-
AS
=
λ
(
AB
-
AF
).
1
→
1
→→
∴
AF
=(
AS
+
λAB
)=(0,4
λ
,3),
1+
λ
1+
λ

39


4
λ
3

,
∴
F

0,
< br>.

1+
λ
1+
λ

同理可得
E


m
,4,0

,


1+
λ

4-3

→

m
,,
∴FE
=

.

1+
λ
1+
λ1+
λ

→

-4
λ
-3

,
∵
FA
=

0,

,要使∠
AFE为直角,

1+
λ
1+
λ

→→
即
FA
·
FE
=0,
则0·
-4
λ
4-3-3
+·+·=0,
1+
λ
1+
λ
1+
λ
1+
λ
1+
λ
m< br>9
∴16
λ
=9,解得
λ
=.
16
14. (2018·海南五校模拟)如图,已知直三棱柱
ABC
-
A
1
B< br>1
C
1
中,
AA
1
=
AB
=
AC
=1,
AB
⊥
AC
,
M
,
N
,
Q
分别是
CC
1
,
BC
,
AC
的中点,点
P
在直线
A
1
B
1
上运动,且
A
1
P
=
λA
1
B
1
(
λ∈[0,1]).
→→

(1)证明:无论
λ
取何值,总有< br>AM
⊥平面
PNQ
;
(2)是否存在点
P
,使得平 面
PMN
与平面
ABC
的夹角为60°?若存在,试确定点
P
的位置,
若不存在,请说明理由.
(1)证明 连接
A
1
Q
.

40



∵
AA
1
=
AC
=1,
M
,
Q
分别是
CC
1
,
AC
的中点,
∴Rt△
AA
1
Q
≌Rt△
CAM
,
∴∠
MAC
=∠
QA
1
A
,
∴∠
MAC
+∠
AQA
1
=∠
QA
1
A
+∠
AQA
1
=90°,
∴
AM
⊥
A
1
Q
.
∵
N
,
Q
分别是
BC
,
AC
的中点,∴
NQ
∥
AB
.
又
AB
⊥
AC
,∴
NQ
⊥
AC
.
在直三棱柱
ABC
-
A
1
B
1
C
1
中,
AA
1
⊥底面
ABC
,
∴
NQ
⊥
AA
1
.
又
AC
∩< br>AA
1
=
A
,
AC
,
AA
1
⊂平面
ACC
1
A
1
,
∴
NQ
⊥平面
ACC
1
A
1
,
∴
NQ
⊥
AM
.
由
NQ
∥
AB
和
AB
∥
A
1
B
1
可得
NQ∥
A
1
B
1
,
∴
N
,
Q< br>,
A
1
,
P
四点共面,
∴
A
1
Q
⊂平面
PNQ
.
∵
N Q
∩
A
1
Q
=
Q
,
NQ
,
A
1
Q
⊂平面
PNQ
,
∴
AM
⊥平面
PNQ
,
∴无论
λ
取何值,总有
AM
⊥平面
PNQ
.
(2)解 如图,以
A
为坐标原点,
AB
,
AC
,
AA
1
所在的直线分别为
x
轴、
y
轴、
z
轴建立空间
直角坐标系,

41


则
A< br>1
(0,0,1),
B
1
(1,0,1),
M
< br>
0,1,
1

2



,
N


11

2
,
2
,0
< br>

,
Q



0,
1
2
,0



,
→
NM
=
< br>

-
1
2
,
1
2
,
1< br>2



,
A
→
1
B
1< br>=(1,0,0).
由
A
→→
1
P
=
λA
1
B
1
=
λ
(1,0,0)=(
λ
,0, 0),
可得点
P
(
λ
,0,1),
∴
→
PN
=


11

2
-
λ
,< br>2
,-1



.
设
n
=(x
,
y
,
z
)是平面
PMN
的法向量,
则


n
·
NM
,
→
=0 ,


n
·
PN
,
→
=0,




-
111
2
x
+
2
y
+
2
z
=0,

y
=
1+2
λ
3
x
,
即


1
得




-
λ


x
+
1



z
=
2-2
λ

2
2
y
-
z
=0,

3
x
,

令
x
=3,得
y
=1+2
λ
,
z
=2-2
λ
,
∴
n
=(3,1+2
λ
,2-2< br>λ
)是平面
PMN
的一个法向量.
取平面
ABC
的一 个法向量为
m
=(0,0,1).
假设存在符合条件的点
P
, < br>则|cos〈
m
,
n
〉|=
|2-2
λ
|< br>9+1+2
λ

2
+2-2
λ

2=
1
2
,

42



化简得4
λ
-14
λ
+1=0,
7-357+35
解得
λ
=或
λ
=(舍去).
4 4
综上,存在点
P
,且当
A
1
P
=
7-3 5
时,
4
2
满足平面
PMN
与平面
ABC
的夹角为60°.

→→→
15.在四棱锥
P
-
ABC D
中,
AB
=(4,-2,3),
AD
=(-4,1,0),
AP
=(-6,2,-8),则
这个四棱锥的高
h
等于( )
A.1
C.13
答案 B
解析 设平面
ABCD
的法 向量为
n
=(
x
,
y
,
z
),
→


n
⊥
AB
,
则

→


n
⊥
AD
,
B.2
D.26



4
x
-2
y
+3
z
=0,< br>即



-4
x
+
y
=0,


4

令
y
=4,则
n
=

1,4,

,
3

32
-6+8-
→
3
n
·
AP
26
→
则cos〈
n
,
AP
〉===-,
→1326
|
n
||
AP
|
×226
3
∴
h
=
26
×226=2.
26
16.如图所示,在梯形
ABCD
中,
AB
∥
CD
,∠
BCD
=120°,四边形
ACFE
为矩形,且
C F
⊥平面
ABCD
,
AD
=
CD
=
BC< br>=
CF
.

43



(1)求证:
EF
⊥平面
BCF
;
(2)点
M< br>在线段
EF
上运动,当点
M
在什么位置时,平面
MAB
与平面
FCB
所成的锐二面角最大,
并求此时二面角的余弦值.
(1)证明 设
AD
=
CD
=
BC
=1,
∵
AB
∥
CD
,∠
BCD
=120°,∴
AB< br>=2,
∴
AC
=
AB
+
BC
-2
AB
·
BC
·cos60°=3,
∴
AB
=
AC
+
BC
,则
BC
⊥
AC
.
∵
C F
⊥平面
ABCD
,
AC
⊂平面
ABCD
, ∴
AC
⊥
CF
,而
CF
∩
BC
=C
,
CF
,
BC
⊂平面
BCF
,
∴
AC
⊥平面
BCF
.
∵
EF
∥
AC
,
∴
EF
⊥平面
BCF
.
(2)解 以
C
为坐标原点,分别以直线
CA
,
CB
,
CF
为
x< br>轴、
y
轴、
z
轴建立如图所示的空间
直角坐标系,
222
222

44



设
FM
=
λ
(0≤
λ
≤3),
则
C
(0,0,0),
A
(3,0,0),
B
(0,1,0),M
(
λ
,0,1),
→→
∴
AB
=(-3, 1,0),
BM
=(
λ
,-1,1).
设
n
=(
x
,
y
,
z
)为平面
MAB
的法向量,
→


n
·
AB
,=0,
由
< br>→


n
·
BM
,=0,
取
x=1,
则
n
=(1,3,3-
λ
).
易知
m
=(1,0,0)是平面
FCB
的一个法向量,


-3
x
+
y
=0,
得

λx
-
y
+
z
=0,


n
·
m
11
∴cos〈
n
,
m
〉===.
22
|
n
||
m
|
1+3+3-
λ
× 1
λ
-3+4
∵0≤
λ
≤3,
∴当
λ
=0时,cos〈
n
,
m
〉取得最小值
7
,
7
∴当点
M
与点
F
重合时,平面
MAB
与平面
FCB
所成的锐二面角最大,此时二面角的余弦值为
7
.
7



45

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