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  • 2021-06-21 发布

2020年高中数学第三章空间向量与立体几何3

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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ABCDA1B‎1C1D1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ABCDA1B‎1C1D1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.‎ 8‎