第9章 第7节
一、选择题
1.已知正方体ABCD -A1B1C1D1中,E 为侧面BCC1B1的中心.若AE →=zAA1→+xAB →+yAD →
,则x +y +z 的值为( ) A .1 B.3
2 C .2
D.34
[答案] C
[解析] ∵AE →=AB →+BE →=AB →+12AA1→+12AD →
.
2.将边长为1的正方形ABCD 沿对角线BD 折成直二面角,若点P 满足BP →=12BA →-12BC →
+BD →,则|BP →
|2的值为( ) A.32
B .2 C.10-2
4
D.94
[答案] D
[解析] 由题意,翻折后AC =AB =BC , ∴∠ABC =60°,∴|BP →
|2=|12BA →-12BC →+BD →|2
=14|BA →|2+14|BC →|2+|BD →
|2-12BA →·BC →-BC →·BD →+BA →·BD →=14+14+2-12×1×1×cos60°-1×2cos45°+1×2×cos45°=94.
3.(2010·广西南宁二中模考)在正三棱柱ABC -A1B1C1中,AA1=AB ,则AC1与平面BB1C1C 所成的角的正弦值为( ) A.2
2 B.155 C.6
4
D.63
[答案] C
[解析] 解法一:取BC 的中点D ,在正三角形ABC 中,AD ⊥BC ,在正三棱柱中,CC1⊥平面ABC ,AD ?平面ABC ,
∴CC1⊥AD ,∴AD ⊥平面BCC1B1,∴∠AC1D 为AC1与平面BB1C1C 所成的角,设AB =AA1=1,则AD =32,AC1=2,∴sin ∠AC1D =AD AC1=6
4,故选C.
解法二:以线段BC 的中点D 为原点,直线BC 、AD 分别为x 轴、y 轴建立空间直角坐标系,如图.
设AB =1,则A(0,32,0),C1(1
2,0,1),
设AC1与平面BB1C1C 所成角为θ,易知平面BB1C1C 的一个法向量为DA →
=(0,32,0), 又AC1→
=(12,-32,1),
∴sinθ=|cos 〈AC1→,DA →
〉|=|AC1→·DA →||AC1→|·|DA →|
=64,故选C.
4.在棱长为2的正方体ABCD -A1B1C1D1中,G 为AA1的中点,则直线BD 与平面GB1D1的距离为( ) A.3
3 B.263 C.6
3
D.233
[答案] B
[分析] 求直线与平面的距离,应有直线与平面平行,故可转化为点面距,为此找出平面的一个法向量和该点与平面内一点连线的方向向量,即可通过向量的数量积来求.一般地,平面α的法向量为n ,平面内一点P 和平面外一点Q ,则Q 到α的距离d =|n·PQ →|
|n|. [解析] 如图建立空间直角坐标系,则B(2,2,0),G(2,0,1),B1(2,2,2),D1(0,0,2),D1B1→
=(2,2,0),D1G →=(2,0,-1),BB1→
=(0,0,2).
设平面GB1D1的法向量n =(x ,y ,z),则 n·D1B1→=0,n·D1G →=0, ∴2x +2y =0,2x -z =0, 即y =-x ,z =2x.
令x =1,则n =(1,-1,2). ∵BD ∥B1D1,∴BD ∥平面GB1D1. ∴BD 与平面GB1D1的距离为 d =|BB1→
·n||n|=26
3.故选B.
5.已知二面角α-l -β的大小为120°,点B 、C 在棱l 上,A ∈α,D ∈β,AB ⊥l ,CD ⊥l ,AB =2,BC =1,CD =3,则AD 的长为( ) A.14 B.13 C .2 2
D .2 5
[答案] D
[解析] 由条件知|AB →|=2,|BC →|=1,|CD →|=3,AB →⊥BC →,BC →⊥CD →,〈AB →,CD →〉=60°,AD →
=AB →+BC →+CD →,
∴|AD →|2=|AB →|2+|BC →|2+|CD →|2+2AB →·BC →+2BC →·CD →+2AB →·CD → =4+1+9+2×2×3×cos60° =20,∴|AD →
|=2 5.
6.正四棱锥P -ABCD 的底面边长为2,高为3,E 、F 分别为PC ,PD 的中点,则异面直线AC 与EF 的距离为( ) A.12
B.32
C.233
D.23
[答案] B
[分析] 若能找到n ,n·AC →=0,n·EF →
=0,则d =|CF →·n||n|.
[解析] 以正方形ABCD 的中心为原点,与边BC 、CD 垂直的直线分别为x 轴、y 轴,OP 为z
轴建立空间直角坐标系,则由条件知:C(1,1,0),D(-1,1,0),P (0,0,3),∴E ???
?12,12,32,F ????-12,12,32,∴OC →=(1,1,0),EF →=(-1,0,0),设n =(x ,y ,z),则n·OC →=0,n·EF →=0,∴x
+y =0,-x =0,∴x =y =0, 取n =(0,0,1),又CF →=???
?-3
2,-12,32,
∴d =|n·CF →
||n|=3
2,故选B.
[点评] 只要向量n 与两条异面直线的方向向量垂直,不论两点M 、N 分别是两异面直线上的哪一点,都有d =|n·MN →|
|n|.
7.(2010·河南新乡市模考)如图,正方体ABCD -A1B1C1D1的棱长为1,O 是底面A1B1C1D1的中心,则点O 到平面ABC1D1的距离为( )
A.12
B.24
C.2
2
D.32
[答案] B
[解析] 以D 为原点,DA 、DC 、DD1为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,则A(1,0,0),
B(1,1,0),D1(0,0,1),C1(0,1,1),O ???
?12,12,1,设平面ABCD 的法向量n =(x ,y,1),则
?????
n·AB →=0n·
AD1→=0,∴????? y =0-x +1=0,∴?????
x =1y =0,∴n =(1,0,1),
又OD1→=???
?-1
2,-12,0,
∴O 到平面ABC1D1的距离d =|n·OD1→||n|=1
22=2
4.
[点评] 1.建立坐标系可以有不同的方案,如
以A 为原点,直线AB 、AD 、AA1分别为x 轴、y 轴、z 建立空间直角坐标系,则O ???
?12,12,1,A(0,0,0),B(1,0,0),D1(0,1,1),
设平面ABC1D1的法向量n =(x ,y,1),则 ?????
n·AB →=0n·
AD1→=0,∴?????
x =0
y =1,∴n =(0,-1,1),
∴O 到平面ABC1D1的距离h =|AO →
·n||n|=2
4. 2.也可以不用空间向量求解
取B1C1的中点M ,连结B1C 交BC1于O ′,取O ′C1的中点N ,连结MN ,则MN ⊥BC1,又在正方体ABCD -A1B1C1D1中,OM 平行于平面ABC1D1,则O 到平面ABC1D1的距离转化为M 到平面ABC1D1的距离,即MN =2
4,故选B.
8.将正方形ABCD 沿对角线BD 折成一个120°的二面角,点C 到达点C1,这时异面直线AD 与BC1所成角的余弦值是( ) A .-34 B .-3
4 C.3
4
D.34
[答案] D
[解析] 设正方形的边长为1,AC 与BD 交于点O ,当折成120°的二面角时, AC12=?
???
?222+? ??
??
222-2·22·22·cos120°=32. 又AC1→=AD →+DB →+BC1→,
∴|AC1→|2=|AD →|2+|DB →|2+|BC1→|2+2AD →·DB →+2AD →·BC1→+2DB →·BC1→=1+2+1+2×1×2cos135°+2×2×1×cos135°+2AD →·BC1→=2AD →·BC1→ =2|AD →|·|BC1→|cos 〈AD →,BC1→〉=2cos 〈AD →,BC1→〉. ∴cos 〈AD →,BC1→
〉=34.
9.(2010·陕西宝鸡)已知正四面体A -BCD ,设异面直线AB 与CD 所成的角为α,侧棱AB 与底面BCD 所成的角为β,侧面ABC 与底面BCD 所成的角为γ,则( ) A .α>β>γ B .α>γ>β C .β>α>γ
D .γ>β>α
[答案] B
[解析] 如图,取底面BCD 的中心为点O ,连接AO ,BO ,易知∠ABO =β,取BC 的中点E ,连接AE 、OE ,易知∠AEO =γ,∵OB>OE ,∴0<β<γ<π
2,延长BO 交CD 于F ,则BF ⊥CD ,又AO ⊥CD ,∴CD ⊥平面ABF ,∴CD ⊥AB ,即α=π
2,∴α>γ>β,故选B. 10.二面角的棱上有A 、B 两点,直线AC 、BD 分别在这个二面角的两个半平面内,且都垂直于AB.已知AB =4,AC =6,BD =8,CD =217,则该二面角的大小为( ) A .150°
B .45°
C .60°
D .120°
[答案] C
[解析] 由条件知,CA →·AB →=0,AB →·BD →
=0, CD →=CA →+AB →+ BD →.
∴|CD →|2=|CA →|2+|AB →|2+|BD →|2+2CA →·AB →+2AB →·BD →+2CA →·BD →=62+42+82+2×6×8cos 〈CA →,BD →〉=116+96cos 〈CA →,BD →
〉=(217)2, ∴cos 〈CA →,BD →
〉=-12,
∴〈CA →,BD →
〉=120°,所以二面角的大小为60°. 二、填空题
11.(2010·上海奉贤区调研)在正四面体ABCD 中,E 、F 分别是BC 、AD 中点,则异面直线AE 与CF 所成的角是________.(用反三角函数值表示) [答案] arccos 23
[解析] 设正四面体的棱长为1,AB →=a ,AC →=b ,AD →=c ,则AE →=12(a +b),CF →=1
2c -b ,|a|=|b|=|c|=1,a·b =b·c =c·a =1
2, ∴AE →·CF →=12(a +b)·(12c -b)
=14a·c +14b·c -12a·b -12|b|2=-12, |AE →
|2=14(|a|2+|b|2+2a·b)=34, |CF →
|2=14|c|2+|b|2-b·c =34, ∴|AE →
|=32,|CF →|=32, cos 〈AE →,CF →
〉=AE →·CF →|AE →|·|CF →|=-23,
因异面直线所成角是锐角或直角, ∴AE 与CF 成角为arccos 2
3.
12.(2010·江西九江一中)空间一条直线l1与一个正四棱柱的各个面所成的角都为α,而另一条直线l2与这个正四棱柱的各条棱所成的角都为β,则sin2α+sin2β=________. [答案] 1
[解析] 由正四棱柱的对称性知,若直线l1与各面成角都相等,则该直线一定经过或平行于四棱柱的一条体对角线,l2也一样,于是取对角线BD1研究,则α=∠BD1B1,β=∠BD1D ,
∴sin2α+sin2β=si n2α+cos2α=1.
13.(2010·山东聊城联考)如图,以等腰直角三角形斜边BC 上的高AD 为折痕,把△ABD 和
△ACD 折成互相垂直的两个平面后,某学生得出下列四个结论:
①BD →·AC →≠0; ②∠BAC =60°;
③三棱锥D -ABC 是正三棱锥;
④平面ADC 的法向量和平面ABC 的法向量互相垂直. 其中正确的是________(填序号). [答案] ②③
[解析] BD ⊥平面ADC ?BD ⊥AC ,①错;AB =AC =BC ,②对;由?
????
DA =DB =DC AB =AC =BC 知,③对④
错.
14.给出下列命题:
①直线l 的方向向量为a =(1,-1,2),直线m 的方向向量为b =(2,1,-1
2),则l 与m 垂直. ②直线l 的方向向量为a =(0,1,-1),平面α的法向量为n =(1,-1,-1),则l ⊥α. ③平面α、β的法向量分别为n1=(0,1,3),n2=(1,0,2),则α∥β.
④平面α经过三点A(1,0,-1),B(0,1,0),C(-1,2,0),向量n =(1,u ,t)是平面α的法向量,则u +t =1.
其中真命题的序号是________. [答案] ①④
[解析] ①∵a·b =(1,-1,2)·(2,1,-12)=0, ∴a ⊥b ,∴l ⊥m ,故①真;
②∵a·n =(0,1,-1)·(1,-1,-1)=0, ∴a ⊥n ,∴l ∥α或l ?α,故②假;
③∵n1与n2不平行,∴α与β不平行,∴③假; ④AB →=(-1,1,1),AC →
=(-2,2,1), 由条件n ⊥AB →,n ⊥AC →
,
∴?????
n·AB →=0n·
AC →=0,即????? -1+u +t =0-2+2u +t =0,∴?????
u =1t =0,∴u +t =1.
三、解答题
15.(2010·温州中学模拟)如图,在底面是矩形的四棱锥P -ABCD 中,PA ⊥平面ABCD ,PA =AB =2,BC =4,E 是PD 的中点. (1)求证:平面PDC ⊥平面PAD ; (2)求点B 到平面PCD 的距离;
(2)方法1:过A 作AF ⊥PD ,垂足为F.
在RtPAD 中,PA =2,AD =BC =4,PD =42+22=25, AF·PD =PA·AD ,∴AF =2×425=455,
即点B 到平面PCD 的距离为45
5.
方法2:如图,以A 为原点,AD 、AB 、AP 所在的直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系A -xyz ,
则依题意可知A(0,0,0),B(0,2,0),C(4,2,0),D(4,0,0),P(0,0,2), PD →=(4,0,-2),CD →=(0,-2,0),BC →
=(4,0,0), 设面PCD 的一个法向量为n =(x ,y ,z),则 ?????
n·CD →=0n·PD →=0?????
?
-2y =04x -2=0??????
y =0x =12
, 所以面PCD 的一个单位法向量为n |n|=? ????55
,0,255,
所以|BC →·n
|n||=|(4,0,0)·(55,0,255)|=455,则点B 到面PCD 的距离为455. (3)方法1:过C 作CH ⊥AE ,垂足为H ,连接DH ,由(1)可知CD ⊥面PAD ,
?
??
?
???
?AE ⊥CD
AE ⊥CH CD ∩CH =C ?AE ⊥面CDH
DH ?面CDH
?AE ⊥DH ,
?
???
?AE ⊥DH AE ⊥CH ?∠CHD 为二面角C -AE -D 的平面角.
在Rt △ADH 中,DH =AD·sin ∠DAH =4×55=455, 在Rt △CDH 中,CH2=CD2+DH2?CH =655. 所以cos ∠CHD =DH CH =455655
=2
3.
方法2:建立空间直角坐标系同(2)的方法2,则依题意可知A(0,0,0),C(4,2,0),D(4,0,0),P(0,0,2),E(2,0,1),易知面ADE 的一个法向量为n1=(0,1,0),
设面ACE 的一个法向量为n2=(x ,y,1),又AE →=(2,0,1),AC →
=(4,2,0),
则?????
n2·AE →=0n2·AC →=0??????
2x +1=04x +2y =0??????
x =-12y =1
,所以平面ACE 的一个法向量为n2=(-1
2,1,1).
设二面角C -AE -D 的平面角为θ,
则cosθ=n1·n2
|n1|·|n2|
=
-1
2×0+1×1+1×0
-1
22+12+12×02+12+02=2
3.
结合图形可知二面角C -AE -D 的余弦值为2
3.
16.如图,在四棱锥P -ABCD 中,底面ABCD 为矩形,侧棱PA ⊥底面ABCD ,AB =3,BC =1,PA =2,E 为PD 的中点.
(1)求直线AC 与PB 所成角的余弦值;
(2)在侧面PAB 内找一点N ,使NE ⊥平面PAC ,并求出点N 到AB 和AP 的距离.
[解析] (1)分别以AB 、AD 、AP 为x 轴、y 轴、z 轴建立如图所示的空间直角坐标系,则A ,B ,C ,D ,P ,E 的坐标为A(0,0,0),B(3,0,0),C(3,1,0),D(0,1,0),P(0,0,2),E(0,1
2,1),从而AC →=(3,1,0),PB →
=(3,0,-2).
设AC →与PB →
的夹角为θ,
则cosθ=AC →·PB →|AC →|·|PB →|=32×7=37
14,
∴AC 与PB 所成角的余弦值为37
14.
(2)由于N 点在侧面PAB 内,故可设N 点坐标为(x,0,z),则NE →
=(-x ,12,1-z),由NE ⊥平面PAC 可得,
???
??
NE →·
AP →=0NE →·
AC →=0,即???
-x ,1
2,1-z ·0,0,2=0-x ,1
2,1-z ·3,1,0=0
,化简得?
???
?
z -1=0-3x +1
2=0,∴?????
x =3
6z =1
, 即N 点的坐标为(3
6,0,1),
从而N 点到AB 和AP 的距离分别为1,3
6.
17.直四棱柱ABCD -A1B1C1D1中,底面ABCD 是等腰梯形,AB ∥DC ,AB =2AD =2DC =2,E 为BD1的中点,F 为AB 中点.
(1)求证EF ∥平面ADD1A1;
(2)若BB1=2
2,求A1F 与平面DEF 所成角的大小. [解析] (1)证明:连结AD1,在△ABD1中 ∵E 是BD1的中点,F 是BA 中点, ∴EF 綊1
2AD1
又EF ?平面ADD1A1,AD1?平面ADD1A1 ∴EF ∥平面ADD1A1.
(2)解法1:延长D1A1至H ,使A1H =D1A1,延长DA 至G ,使AG =DA ,并连结HG 和A1G ,则A1G ∥D1A ∥EF
∴A1G ∥平面DEF ,
∴A1到平面DEF 的距离等于G 到平面DEF 的距离,设为x 由题意可得,DF =BC =AD =1,连DB ,在Rt △D1DB 中,DE =1
2D1B 又DB =3,且DD1=2
2, ∴DE =1
2×
12+3=144,
又EF =12A D1=1
2
1+12=6
4,
在△DEF 中,由余弦定理得: cos ∠EDF =78+1-3
8
2×144×1=3
14
∴sin ∠EDF =
1-914=
514 ∴S △DEF =12×14
4×1×
514=58,
又点E 到平面DGF 的距离d =12DD1=2
4
不难证明∠DFG 是Rt △(∵FA =1
2DG) ∴S △DFG =12×DF×FG =12×1×3=3
2
由VE -DGF =VG -DEF 得,x·S △DEF =d·S △DFG , ∴x·58=24×32,
∴x =305,即A1到平面DEF 的距离为30
5, 设A1F 与平面DEF 成α角,则
sinα=x A1F =30
5×
11+12
=255,∴α=arcsin 255,
即A1F 与平面DEF 所成角的大小为arcsin 25
5.
解法2:建立如图所示的空间直角坐标系D -xyz(DG 为AB 边上的高)
则有A1(32,-12,22),F(32,12,0),D1(0,0,22),B(32,32,0),∴E(34,34,2
4), 设平面DEF 的一个法向量为n =(x ,y ,z), 由???
??
n·DE →=34x +34y +24z =0
n·DF →
=32x +12y =0
,
取x =1解得y =-3,z = 6 ∴法向量n =(1,-3,6), ∵A1F →
=(0,1,-22),
设A1F 与平面DEF 所成的角为θ,则 sinθ=|cos 〈A1F →
,n 〉|=|A1F →·n||A1F →|·|n|
=
|0×1+1×-3+-2
2×6|
3
2·10
=255,
∴A1F 与平面DEF 所成角的大小为arcsin 25
5.
高中数学必修2立体几何测试题及答案(一)一,选择(共80分,每小题4分) 1,三个平面可将空间分成n个部分,n的取值为() A,4;B,4,6;C,4,6,7 ;D,4,6,7,8。 2,两条不相交的空间直线a、b,必存在平面α,使得() A,a?α、b?α;B,a?α、b∥α;C,a⊥α、b⊥α;D,a?α、b⊥α。 3,若p是两条异面直线a、b外的任意一点,则() A,过点p有且只有一条直线与a、b都平行;B,过点p有且只有一条直线与a、b都垂直;C,过点p有且只有一条直线与a、b都相交;D,过点p有且只有一条直线与a、b都异面。 4,与空间不共面四点距离相等的平面有()个 A,3 ;B,5 ;C,7;D,4。 5,有空间四点共面但不共线,那么这四点中() A,必有三点共线;B,至少有三点共线;C,必有三点不共线;D,不可能有三点共线。 6,过直线外两点,作与该直线平行的平面,这样的平面可有()个 A,0;B,1;C,无数;D,涵盖上三种情况。 7,用一个平面去截一个立方体得到的截面为n边形,则() A,3≤n≤6 ;B,2≤n≤5 ;C,n=4;D,上三种情况都不对。 8,a、b为异面直线,那么() A,必然存在唯一的一个平面同时平行于a、b;B,过直线b 存在唯一的一个平面与a平行;C,必然存在唯一的一个平面同时垂直于a、b;D,过直线b 存在唯一的一个平面与a垂直。 9,a、b为异面直线,p为空间不在a、b上的一点,下列命题正确的个数是() ①过点p总可以作一条直线与a、b都垂直;②过点p总可以作一条直线与a、b都相交;③
过点p 总可以作一条直线与a 、b 都平行;④过点p 总可以作一条直线与一条平行与另一条垂直;⑤过点p 总可以作一个平面与一条平行与另一条垂直。 A ,1; B ,2; C ,3; D ,4。 10,异面直线a 、b 所成的角为80°,p 为空间中的一定点,过点p 作与a 、b 所成角为40° 的直线有( )条 A ,2; B ,3; C ,4; D ,6。 11,P 是△ABC 外的一点,PA 、PB 、PC 两两互相垂直,PA=1、PB=2、PC=3,则△ABC 的 面积为( )平方单位 A ,25; B ,611; C ,27; D ,2 9。 12,空间四个排名两两相交,以其交线的个数为元素构成的集合是( ) A ,{2,3,4}; B ,{1,2,3,}; C ,{1,3,5}; D ,{1,4,6}。 13,空间四边形ABCD 的各边与对角线的长都是1,点P 在AB 上移动 ,点Q 在CD 上移 动,点P 到点Q 的最短距离是( ) A ,21; B ,22; C ,23; D ,4 3。 14,在△ABC 中,AB=AC=5,BC=6,PA ⊥平面ABC ,PA=8,则P 到BC 的距离是( ) A ,45; B ,43; C ,25; D ,23。 15,已知m ,n 是两条直线,α,β是两个平面,下列命题正确的是( ) ①若m 垂直于α内的无数条直线,则m ⊥α;②若m 垂直于梯形的两腰,则m 垂直于梯形所 在的平面;③若n ∥α,m ?α,则n ∥m ;④若α∥β,m ?α,n ⊥β,则n ⊥m 。 A ,①②③; B ,②③④; C ,②④; D ,①③。 16,有一棱长为1的立方体,按任意方向正投影,其投影最大面积为( )
2019年高三数学知识点总结:立体几何 由查字典数学网高中频道提供,2019年高三数学知识点总结:立体几何,因此老师及家长请认真阅读,关注孩子的成长。 立体几何初步 (1)棱柱: 定义:有两个面互相平行,其余各面都是四边形,且每相邻两个四边形的公共边都互相平行,由这些面所围成的几何体。 分类:以底面多边形的边数作为分类的标准分为三棱柱、四棱柱、五棱柱等。 表示:用各顶点字母,如五棱柱或用对角线的端点字母,如五棱柱 几何特征:两底面是对应边平行的全等多边形;侧面、对角面都是平行四边形;侧棱平行且相等;平行于底面的截面是与底面全等的多边形。 (2)棱锥 定义:有一个面是多边形,其余各面都是有一个公共顶点的三角形,由这些面所围成的几何体 分类:以底面多边形的边数作为分类的标准分为三棱锥、四棱锥、五棱锥等 表示:用各顶点字母,如五棱锥 几何特征:侧面、对角面都是三角形;平行于底面的截面与底面相似,其相似比等于顶点到截面距离与高的比的平方。 (3)棱台:
定义:用一个平行于棱锥底面的平面去截棱锥,截面和底面之间的部分 分类:以底面多边形的边数作为分类的标准分为三棱态、四棱台、五棱台等 表示:用各顶点字母,如五棱台 几何特征:①上下底面是相似的平行多边形②侧面是梯形③侧棱交于原棱锥的顶点 (4)圆柱: 定义:以矩形的一边所在的直线为轴旋转,其余三边旋转所成的曲面所围成的几何体 几何特征:①底面是全等的圆;②母线与轴平行;③轴与底面圆的半径垂直;④侧面展开图是一个矩形。 (5)圆锥: 定义:以直角三角形的一条直角边为旋转轴,旋转一周所成的曲面所围成的几何体 几何特征:①底面是一个圆;②母线交于圆锥的顶点;③侧面展开图是一个扇形。 (6)圆台: 定义:用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥,截面和底面之间的部分 几何特征:①上下底面是两个圆;②侧面母线交于原圆锥的顶点;③侧面展开图是一个弓形。