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- 2021-06-21 发布
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第2课时 空间向量与垂直关系
[课时作业]
[A组 基础巩固]
1.设A是空间一定点,n为空间内任一非零向量,满足条件·n=0的点M构成的图形是( )
A.圆 B.直线
C.平面 D.线段
解析:M构成的图形是经过点A,且以n为法向量的平面.
答案:C
2.已知=(2,2,1),=(4,5,3),则平面ABC的一个单位法向量为( )
A. B.
C. D.
解析:设平面ABC的法向量为n=(x,y,z),
则有取x=1,则y=-2,z=2.
所以n=(1,-2,2).由于|n|=3,
所以平面ABC的一个单位法向量可以是
.
答案:B
3.在正方体ABCDA1B1C1D1中,若E为A1C1的中点,则直线CE垂直于( )
A.AC B.BD
C.A1D D.A1A
解析:建立如图所示的空间直角坐标系.设正方体的棱长为1.
则A(1,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),D(0,0,0),A1(1,0,1),C1(0,1,1),E,
∴=,=(-1,1,0),=(-1,-1,0),
=(-1,0,-1),=(0,0,-1).
∵·=(-1)×+(-1)×+0×1=0,∴CE⊥BD.
答案:B
8
4.已知点A,B,C的坐标分别为(0,1,0),(-1,0,1),(2,1,1),
点P的坐标为(x,0,z),若⊥,⊥,则点P的坐标为( )
A. B.
C. D.
解析:=(-x,1,-z),=(-1,-1,1),=(2,0,1),
·=0,·=0.
∴x=,z=-.
答案:A
5.如图所示,正方体ABCDA1B1C1D1中,E,F分别在A1D,AC上,且A1E=A1D,AF=AC,则( )
A.EF至多与A1D,AC之一垂直
B.EF⊥A1D,EF⊥AC
C.EF与BD1相交
D.EF与BD1异面
解析:建立分别以DA,DC,DD1所在直线为x,y,z轴的空间直角坐标系(图略),不妨设正方体的棱长为1,则=(1,0,1),
=(0,1,0)-(1, 0,0)=(-1,1,0),
E(,0, ),F(,,0),
=(,,-),∴·=0,·=0,
∴EF⊥A1D,EF⊥AC.
答案:B
6.若直线l的方向向量e=(2,1,m),平面α的法向量n=(1,,2), 且l⊥α,则m=________.
解析:平面α的法向量即为平面的法线的方向向量,又l⊥α,∴e∥n,即e=λn(λ≠0),亦即(2,1,m)=λ,
∴∴m=4.
8
答案:4
7.在直角坐标系Oxyz中,已知点P(2cos x+1,2cos 2x+2,0)和点
Q(cos x,-1,3),其中x∈[0,π],若直线OP与直线OQ垂直,则x的值为________.
解析:由OP⊥OQ,所以·=0.
即(2cos x+1)·cos x+(2cos 2x+2)·(-1)=0.
∴cos x=0或cos x=.
∵x∈[0,π],∴x=或x=.
答案:或
8.△ABC的三个顶点分别是A(1,-1,2),B(5,-6,2),C(1,3,-1),则AC边上的高BD长为________.
解析:=(5,-6,2)-(1,-1,2)=(4,-5,0),
=(1,3,-1)-(1,-1,2)=(0,4,-3),
cos〈,〉===-,
sin〈,〉===,
∴AC边上的高为|AB|sin〈,〉=×=5.
答案:5
9.如图所示,在四棱锥PABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD为矩形,且PA=AD,E,F分别为线段AB,PD的中点.
求证:(1)AF∥平面PEC;
(2)AF⊥平面PCD.
证明:以A为原点,向量,,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,如图所示.
设AB=a,
PA=AD=1,
则P(0,0,1),C(a,1,0),
8
E,D(0,1,0),F.
(1)=,=,=,
∴=+,
又AF⊄平面PEC,∴AF∥平面PEC.
(2)=(0,1,-1),=(-a,0,0),
·=·(0,1,-1)=0,
·=·(-a,0,0)=0,
∴⊥,⊥,
即AF⊥PD,AF⊥CD,又PD∩CD=D,
∴AF⊥平面PCD.
10.如图,已知平行六面体ABCDA1B1C1D1的底面ABCD是菱形,且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD.
(1)求证:C1C⊥BD;
(2)当的值为多少时,能使A1C⊥平面C1BD?并给出证明.
解析:(1)证明:设=a,=b,=c.
依题意,|a|=|b|.
,,中两两所成的夹角为θ,于是
=-=a-b,
·=c·(a-b)=c·a-c·b
=|c||a|cos θ-|c||b|cos θ=0,
∴⊥.∴C1C⊥BD.
(2)若使A1C⊥平面C1BD,只需A1C⊥BD,
A1C⊥DC1,
由·=(+)·(-)
=(a+b+c)·(a-c)
=|a|2+a·b-b·c-|c|2
8
=|a|2-|c|2+|b||a|cos θ-|b||c|cos θ=0,
当|a|=|c|时,A1C⊥DC1,
同理可证当|a|=|c|时,A1C⊥BD,
∴=1时,A1C⊥平面C1BD.
[B组 能力提升]
1.如图,已知矩形ABCD,AB=1,BC=a,PA⊥平面ABCD,若在BC上只有一个点Q满足PQ⊥QD,则a的值等于( )
A.2 B.3
C.4 D.6
解析:如图,建立空间直角坐标系Axyz,则D(0,a,0).
设Q(1,x,0)(0≤x≤a).
P(0,0,z).
则=(1,x,-z),
=(-1,a-x,0).
由PQ⊥QD,得-1+x(a-x)=0,
即x2-ax+1=0.
由题意知方程x2-ax+1=0只有一解.
∴Δ=a2-4=0,a=2,这时x=1∈[0,a].
答案:A
2.已知点P是平行四边形ABCD所在的平面外一点,如果=(2,-1,-4),=(4,2,0),=(-1,2,-1).对于结论:①AP⊥AB;②AP⊥AD;③是平面ABCD的法向量;④∥.其中正确的是( )
A.①④ B.②④
C.①②③ D.③④
解析:·=-2-2+4=0,∴AP⊥AB,①正确;·=-4+4=0,
∴AP⊥AD,②正确;由①②知是平面ABCD的法向量,∴③正确
④不正确.
答案:C
3.在正方体ABCDA1B1C1D1中,O是底面ABCD的中心,M,N分别是DD1,D1C1的中点,则关于直线OM下列说法正确的是________.
8
①是AC和MN的公垂线;
②垂直于AC,但不垂直于MN;
③垂直于MN,但不垂直于AC;
④与AC,MN都不垂直.
解析:以D为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系.
设正方体的棱长为1,则A(1,0,0),C(0,1,0),O,
M,N,
则=(-1,1,0),=,
=,
·=0,·=0,即选项①正确.
答案:①
4.在长方体ABCDA1B1C1D1中,AB=2,AA1=,AD=2,点P为C1D1的中点,点M为BC的中点,则△APM的面积为________.
解析:建立如图所示的空间直角坐标系.
则A(2,0,0),M(,2,0),
P(0,1,),
cos〈,〉==,
sin〈,〉=,
S△APM=|| ||sin〈,〉=×2××=3.
答案:3
5.已知正方体ABCDA1B1C1D1中,E为棱CC1上的动点
(1)求证:A1E⊥BD;
(2)若平面A1BD⊥平面EBD,试确定E点的位置.
证明:以D为坐标原点以DA,DC,DD1所在直线为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系,设正方体棱长为a.
(1)A(a,0,0),B(a,a,0),C(0,a,0),
A1(a,0,a),C1(0,a,a).
8
设E(0,a,z),
则=(-a,a,z-a),
=(-a,-a,0),
·=a2-a2+(z-a)·0=0.
∴⊥,即A1E⊥BD.
(2)E为CC1的中点.证明如下:
若E是CC1的中点,则E,
设BD的中点为O,连接AC,OE,A1O.
则O,=,
=(-a,-a,0),
则·=0,⊥,
∵·=-++0=0,
∴⊥,
∴∠A1OE为二面角A1BDE的平面角.
·=0,则∠A1OE=90°,
∴平面A1BD⊥平面EBD.
∴当E为CC1的中点时,能使平面A1BD⊥平面EBD.
6.已知四棱锥PABCD的底面是直角梯形,AB∥DC,∠DAB=90°,PD⊥底面ABCD,且PD=DA=CD=2AB=2,M点为PC的中点.
(1)求证:BM∥平面PAD;
(2)在平面PAD内找一点N,使MN⊥平面PBD.
解析:(1)证明:∵PD⊥底面ABCD,CD∥AB,CD⊥AD.
∴以D为坐标原点,,,分别为x轴,y轴,z轴正方向向量,建立空间直角坐标系(如图所示).
由于PD=CD=DA=2AB=2,
所以D(0,0,0),A(2,0,0),B(2,1,0),C(0,2,0),P(0,0,2),M(0,1,1),
8
∴=(-2,0,1),=(0,2,0),
∵⊥平面PAD,
∴是平面PAD的法向量,且·=0,
∴∥平面PAD.
∴BM∥平面PAD.
(2)设N(x,0,z)是平面PAD内一点,则=(x,-1,z-1),=(0,0,2),
=(2,1,0),
若MN⊥平面PBD,则
∴即
∴在平面PAD内存在点N,使MN⊥平面PBD.
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