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- 2021-06-16 发布
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§5 垂 直 关 系
5.1 直线与平面垂直
(15 分钟 30 分)
1.下列说法正确的是 ( )
A.垂直于同一条直线的两直线平行
B.垂直于同一条直线的两直线垂直
C.垂直于同一个平面的两直线平行
D.垂直于同一条直线的一条直线和平面平行
【解析】选 C.垂直于同一条直线的两直线可能平行、可能相交、可能
异面,故 A,B错误;由线面垂直的性质定理知 C 正确;D中这条直线可能
在平面内,故 D错误.
2.在正方体ABCD-A1B1C1D1中,直线 l(与直线BB1不重合)⊥平面A1C1,则有
( )
A.B1B⊥l
B.B1B∥l
C.B1B 与 l 异面
D.B1B 与 l 相交
【解析】选 B.因为 B1B⊥平面 A1C1,又 l⊥平面 A1C1,则 l∥B1B.
3.如图,▱ADEF 的边 AF⊥平面 ABCD,且 AF=2,CD=3,则 CE= ( )
A.2 B.3
C. D.
【解析】选 D.因为四边形 ADEF 为平行四边形,
所以 AF∥DE 且 AF=DE.
因为 AF⊥平面 ABCD,所以 DE⊥平面 ABCD.
所以 DE⊥DC.
因为 AF=2,所以 DE=2.
又 CD=3,所以 CE= = = .
4.一条与平面α相交的线段,其长度为 10 cm,两端点到平面的距离分
别是 2 cm,3 cm,这条线段与平面α所成的角大小是________.
【解析】如图,作出 AC⊥α,BD⊥α,则 AC∥BD,AC,BD确定的平面与平
面α交于 CD,且 CD与 AB 相交于 O,AB=10,AC=3,BD=2,则 AO=6,BO=4,所
以∠AOC=∠BOD=30°.
答案:30°
5.如图,在棱长为 2 的正方体 ABCD-A1B1C1D1中,E 是 BC1的中点,则直线
DE 与平面 ABCD 所成角的正切值为________.
【解析】取 BC的中点 F,连接 EF,DF.
则 EF∥C1C,且 EF= C1C=1.
又因为 C1C⊥平面 ABCD,所以 EF⊥平面 ABCD.
所以∠EDF 为直线 DE 与平面 ABCD 所成的角.
又因为 DF= = ,
所以 tan∠EDF= = = .
答案:
6.如图,三棱柱ABC-A1B1C1中,侧面BB1C1C为菱形,B1C的中点为O,且AO⊥
平面 BB1C1C.
(1)证明:B1C⊥AB;
(2)若 AC⊥AB1,∠CBB1=60°,BC=1,求点 B1到平面 ABC 的距离.
【解析】(1)连接 BC1,则 O为 B1C 与 BC1的交点.
因为侧面 BB1C1C 为菱形,所以 B1C⊥BC1.
又 AO⊥平面 BB1C1C,所以 B1C⊥AO.
由于 BC1∩AO=O,故 B1C⊥平面 ABO.
又因为 AB⊂平面 ABO,所以 B1C⊥AB.
(2)作 OD⊥BC,垂足为 D,连接 AD.作 OH⊥AD,垂足为 H.
由于 BC⊥AO,BC⊥OD,且 AO∩OD=O,
故 BC⊥平面 AOD,所以 OH⊥BC.
又 OH⊥AD,且 AD∩BC=D,所以 OH⊥平面 ABC.
因为∠CBB1=60°,所以△CBB1为等边三角形,又 BC=1,可得 OD= .
因为 AC⊥AB1,所以 OA= B1C= .
由 OH·AD=OD·OA,且 AD= = ,
得 OH= .
又 O为 B1C 的中点,
所以点 B1到平面 ABC 的距离为 2OH= .
(30 分钟 60 分)
一、单选题(每小题 5分,共 20 分)
1.正方体 ABCD-A1B1C1D1中与 AD1垂直的平面是 ( )
A.平面 DD1C1C
B.平面 A1DB
C.平面 A1B1C1D1
D.平面 A1DB1
【解析】选 D.因为 AD1⊥A1D,AD1⊥A1B1,A1D∩A1B1=A1,所以 AD1⊥平面
A1DB1.
2.如图,α∩β=l,点 A,C∈α,点 B∈β,且 BA⊥α,BC⊥β,那么直线 l
与直线 AC的关系是 ( )
A.异面 B.平行
C.垂直 D.不确定
【解析】选 C.因为 BA⊥α,α∩β=l,l⊂α,所以 BA⊥l.
同理 BC⊥l.又 BA∩BC=B,所以 l⊥平面 ABC.因为 AC⊂平面 ABC,所以 l
⊥AC.
3.(2020·新高考全国Ⅰ卷)日晷是中国古代用来测定时间的仪器,利
用与晷面垂直的晷针投射到晷面的影子来测定时间.把地球看成一个
球(球心记为O),地球上一点A的纬度是指OA与地球赤道所在平面所成
角,点 A处的水平面是指过点 A且与 OA垂直的平面,在点 A处放置一个
日晷,若晷面与赤道所在平面平行,点 A 处的纬度为北纬 40°,则晷针
与点 A 处水平面所成的角为 ( )
A.20° B.40° C.50° D.90°
【命题意图】本题考查直线与平面所成的角、线面垂直的定义以及数
学文化,考查学生的空间想象能力,体现了直观想象和数学运算等核心
素养.
【解析】选 B. 晷针与晷面垂直,而晷面与赤道所在平面平行,所以晷针
与赤道所在平面垂直,进而可知晷针与 OA的夹角是 50°,又 OA 垂直点
A 处的水平面,则晷针与点 A 处的水平面所成的角为 40°.
【补偿训练】
1.已知在正方体 ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,则点 C 到平面 BDD1B1的距
离为 ( )
A.1 B. C.2 D.2
【解析】选 B.如图,连接 AC,DB 交于点 O,
在正方体 ABCD-A1B1C1D1中,
因为 DB⊥AC,BB1⊥AC,BB1∩DB=B,
所以 AC⊥平面 BDD1B1.
所以点 C到平面 BDD1B1的距离为 CO,
CO= AC= .
2.在△ABC 中∠ACB=90°,AB=8,∠BAC=60°,PC⊥平面 ABC,PC=4,M 是
AB 边上的一动点,则 PM 的最小值为 ( )
A.2 B.7 C. D.
【解析】选 A.如图所示,
因为 PC⊥平面 ABC,所以 PC⊥ CM,则△ PCM 是直角三角形,故
PM
2
=PC
2
+CM
2
,
所以当 CM⊥AB 时,CM 最小,
此时 PM 也最小.由条件知 AC=4,BC=4 ,
故 CM 的最小值为 2 ,
又 PC=4,则 PM 的最小值为 =2 .
4.如图,设平面α∩平面β=PQ,EG⊥平面α,FH⊥平面α,垂足分别为
G,H.为使 PQ⊥GH,则需增加的一个条件是 ( )
A.EF⊥平面α B.EF⊥平面β
C.PQ⊥GE D.PQ⊥FH
【解析】选 B.因为 EG⊥平面α,PQ⊂平面α,
所以 EG⊥PQ.若 EF⊥平面β,则由 PQ⊂平面β,得 EF⊥PQ.
又 EG 与 EF 为相交直线,所以 PQ⊥平面 EFHG,所以 PQ⊥GH.
【误区警示】做此题进行加条件时,四个选项需要逐一分析,要认真领
会线面垂直的性质和判定定理的内容.
二、多选题(每小题 5分,共 10 分,全部选对得 5 分,选对但不全的得 3
分,有选错的得 0 分)
5.下列命题正确的是 ( )
A. ⇒b⊥α B. ⇒a∥b
C. ⇒b∥α D. ⇒b⊥α
【解析】选 AB.由性质定理可得 A,B正确.
6.如图,四棱锥 S-ABCD 底面为正方形,SD⊥底面 ABCD,则下列结论中正
确的有 ( )
A.AC⊥SB
B.AB∥平面 SCD
C.SA 与平面 ABCD 所成的角是∠SAD
D.AB 与 SC 所成的角等于 DC与 SC 所成的角
【解析】选 ABCD.因为 SD⊥平面 ABCD,AC⊂平面 ABCD,所以 SD⊥AC.
因为四边形 ABCD 为正方形,所以 BD⊥AC,
又 SD∩BD=D,所以 AC⊥平面 SBD,而 SB⊂平面SBD,所以 AC⊥SB,故①正
确.
因为 AB∥CD,AB⊄ 平面 SDC,CD⊂平面 SDC,
所以 AB∥平面 SCD,故②正确.
因为 SD⊥平面 ABCD,所以 SA 在底面上的射影为 AD,
所以 SA 与底面 ABCD 所成的角为∠SAD,③正确.
因为 AB∥CD,故④也正确.
三、填空题(每小题 5分,共 10 分)
7.如图,在正方体 ABCD-A1B1C1D1 中,AB1 与平面 ADD1A1 所成的角等于
________;AB1与平面 DCC1D1所成的角等于________.
【解析】∠B1AA1为 AB1与平面 ADD1A1所成的角,即 45°;AB1与平面 DCC1D1
平行,即所成的角为 0°.
答案:45° 0°
【补偿训练】
在直四棱柱 ABCD-A1B1C1D1 中,当底面四边形 ABCD 满足条件
________时,有 A1C⊥B1D1(注:填上你认为正确的一种条件即可,不必考
虑所有可能的情况).
【解析】当 BD⊥AC 时,BD⊥AA1,AC∩AA1=A,
所以 BD⊥平面 AA1C,从而 BD⊥A1C,
又 B1D1∥BD,所以 A1C⊥B1D1.
答案:BD⊥AC
8.已知 m,n 是两条不同的直线,α,β是两个不同的平面.
①若 m∥α,m⊥n,则 n⊥α;
②若 m⊥α,n∥α,则 m⊥n;
③若 m⊂α,n⊂β,且α∥β,则 m∥n;
④若 m,n 不平行,则 m 与 n 不可能垂直于同一平面.其中为真命题的是
________.(填序号)
【解析】①若 m∥α,m⊥n,则 n 与α位置关系不确定,故为假命题.
②若 n∥α,则α内存在直线 l与 n平行.因为 m⊥α,所以 m⊥l,所以 m
⊥n.故为真命题.
③若 m⊂α,n⊂β,且α∥β,则 m,n 可能异面.故为假命题.
④原命题的逆否命题为“若 m 与 n 垂直于同一平面,则 m,n 平行”,为
真命题,所以原命题为真命题,所以②④为真命题.
答案:②④
四、解答题(每小题 10 分,共 20 分)
9.如图,在直三棱柱 ABC-A1B1C1中,侧棱长为 2,AC=BC=1,∠ACB=90°,D
是 A1B1的中点,F是 BB1上的动点,AB1,DF 交于点 E,要使 AB1⊥平面 C1DF,
求线段 B1F 的长.
【解析】设 B1F=x,因为 AB1⊥平面 C1DF,DF⊂平面 C1DF,所以 AB1⊥DF.
由已知可得 A1B1= .
设 Rt△AA1B1斜边 AB1上的高为 h,则 DE= h.
又 2× =h ,所以 h= ,
DE= .
在 Rt△DB1E 中,B1E= = .
在Rt△DB1F中,由面积相等得 × = x,解得x= ,即线段
B1F 的长为 .
10.如图,四棱锥 P-ABCD 的底面为正方形,PD⊥底面 ABCD.设平面 PAD
与平面 PBC 的交线为 l.
证明:l⊥平面 PDC.
【证明】在正方形 ABCD 中,AD∥BC,
因为 AD⊄平面 PBC,BC⊂平面 PBC,
所以 AD∥平面 PBC,
又因为 AD⊂平面 PAD,平面 PAD∩平面 PBC=l,所以 AD∥l,
因为在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是正方形,所以AD⊥DC,所以 l⊥DC,
且 PD⊥平面 ABCD,所以 AD⊥PD,所以 l⊥PD,
因为 CD∩PD=D 所以 l⊥平面 PDC.
如图,直升机上一点 P 在地面α上的正射影是点 A(即 PA⊥α),从
点 P看地平面上一物体B(不同于 A),直线 PB垂直于飞机玻璃窗所在的
平面β.
求证:平面β必与平面α相交.
【证明】假设平面α与平面β平行.
因为 PA⊥平面α,所以 PA⊥平面β.
因为 PB⊥平面β,由线面垂直的性质定理,可得 PA∥PB,与已知
PA∩PB=P 矛盾,
所以平面β必与平面α相交.
【补偿训练】
如图,AEC是半径为a的半圆,AC为直径,点 E为弧AC的中点,点B
和点 C 为线段 AD 的三等分点,平面 AEC 外一点 F 满足 FC⊥平面
BED,FB= a.
(1)证明:EB⊥FD;
(2)求点 B 到平面 FED 的距离.
【解析】(1)因为 FC⊥平面 BED,BE⊂平面 BED,
所以 EB⊥FC.又点 E 为弧 AC 的中点,B 为直径 AC 的中点,所以 EB⊥BC.
又因为 FC∩BC=C,所以 EB⊥平面 FBD.
因为 FD⊂平面 FBD,所以 EB⊥FD.
(2)如图,在平面BEC内过C作CH⊥ED,连接FH.则由FC⊥平面BED知,ED
⊥平面 FCH.
因为 Rt△DHC∽Rt△DBE,所以 = .
在 Rt△DBE 中,
DE= = = a,
所以 CH= = = a.
因为 FB= a,BC=a,所以 FC=2a.
在平面 FCH 内过 C作 CK⊥FH,
则 CK⊥平面 FED,
因为 FH
2
=FC
2
+CH
2
=4a
2
+ = a
2
,
所以 FH= a.
所以 CK= = = a.
因为 C 是 BD 的中点,
所以 B 到平面 FED 的距离为 2CK= a.
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