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- 2021-06-21 发布
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课时分层作业(二十) 空间向量与空间角
(建议用时:40分钟)
[基础达标练]
一、选择题
1.若异面直线l1的方向向量与l2的方向向量的夹角为150°,则l1与l2所成的角为( )
A.30° B.150°
C.30°或150° D.以上均不对
A [l1与l2所成的角与其方向向量的夹角相等或互补,且异面直线所成角的范围为.应选A.]
2.已知二面角αlβ的两个半平面α与β的法向量分别为a,b,若〈a,b〉=,则二面角αlβ的大小为( )
A. B.
C.或 D.或
C [由于二面角的范围是[0,π],而二面角的两个半平面α与β的法向量都有两个方向,因此二面角αlβ的大小为或,故选C.]
3.如图3227,空间正方体ABCDA1B1C1D1中,M,N分别是CD,CC1的中点,则异面直线A1M与DN所成角的大小是( )
图3227
A. B. C. D.
D [以D为原点,DA,DC,DD1所在直线为坐标轴建系(图略),则=,=,
10
cos〈,〉==0.
∴〈,〉=.]
4.已知在正四面体ABCD中,E为棱AD的中点,则CE与平面BCD的夹角的正弦值为( )
【导学号:46342179】
A. B. C. D.
B [作AO⊥平面BCD于点O,则O是△BCD的中心,以O为坐标原点,直线OD为y轴,直线OA为z轴建立空间直角坐标系,如图所示.设AB=2,则O(0,0,0),A,C,E,∴=,=,∴cos〈,〉===.∴CE与平面BCD的夹角的正弦值为.]
5.如图3228所示,已知四棱锥PABCD中,底面ABCD是菱形,且PA⊥平面ABCD,PA=AD=AC,点F为PC的中点,则二面角CBFD的正切值为( )
图3228
A. B. C. D.
D [如图所示,设AC与BD交于点O,连接OF.以O为坐标原点,OB,OC,OF所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系Oxyz.
10
设PA=AD=AC=1,则BD=,所以O(0,0,0),B,F,C,=,易知为平面BDF的一个法向量,由=,=,可得平面BCF的一个法向量为n=(1,,).所以cos〈n,〉=,sin〈n,〉=,所以tan〈n,〉=.故二面角CBFD的正切值为.]
二、填空题
6.若直线l的方向向量a=(-2,3,1),平面α的一个法向量n=(4,0,1),则直线l与平面α所成角的正弦值为________.
[由题意,得直线l与平面α所成角的正弦值为==.]
7.已知点E,F分别在正方体ABCDA1B1C1D1的棱BB1,CC1上,且B1E=2EB,CF=2FC1,则平面AEF与平面ABC所成的二面角的正切值等于________.
[如图,建立空间直角坐标系.
设正方体的棱长为1,平面ABC的法向量为n1=(0,0,1),平面AEF的法向量为n2=(x,y,z).
所以A(1,0,0),E,F,
所以=,=,
则即
取x=1,则y=-1,z=3.故n2=(1,-1,3).
所以cos〈n1,n2〉==.
所以平面AEF与平面ABC所成的二面角的平面角α满足cos α=,sin α=,所以tan α=.]
10
8.如图3229,正三角形ABC与正三角形BCD所在的平面互相垂直,则直线CD与平面ABD所成角的正弦值为________.
【导学号:46342180】
图3229
[取BC的中点O,连接AO,DO,建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz.
设BC=1,则A,B,C,D,所以=,=,=.
设平面ABD的法向量为n=(x,y,z),则,所以,取x=1,则y=-,z=1,所以n=(1,-,1),所以cos〈n,〉=,因此直线CD与平面ABD所成角的正弦值为.]
三、解答题
9.如图3230,平面ABDE⊥平面ABC,△ABC是等腰直角三角形,AC=BC=4,四边形ABDE是直角梯形,BD∥AE,BD⊥BA,BD=AE=2,O,M分别为CE,AB的中点.
图3230
10
(1)求异面直角AB与CE所成角的大小;
(2)求直线CD与平面ODM所成角的正弦值.
[解] (1)∵DB⊥BA,平面ABDE⊥平面ABC,平面ABDE∩平面ABC=AB,DB⊂平面ABDE,∴DB⊥平面ABC.
∵BD∥AE,∴EA⊥平面ABC.
如图所示,以C为坐标原点,分别以CA,CB所在直线为x,y轴,以过点C且与EA平行的直线为z轴,建立空间直角坐标系.
∵AC=BC=4,∴C(0,0,0),A(4,0,0),B(0,4,0),E(4,0,4),
∴=(-4,4,0),=(4,0,4).
∴cos〈,〉==-,
∴异面直线AB与CE所成角的大小为.
(2)由(1)知O(2,0,2),D(0,4,2),M(2,2,0),
∴=(0,4,2),=(-2,4,0),=(-2,2,2).
设平面ODM的法向量为n=(x,y,z),
则由,可得,
令x=2,则y=1,z=1,∴n=(2,1,1).
设直线CD与平面ODM所成的角为θ,
则sin θ=|cos〈n,〉|==,
∴直线CD与平面ODM所成角的正弦值为.
10.如图3231,在四棱锥PABCD中,底面ABCD为正方形,平面PAD⊥平面ABCD,点M在线段PB上,PD∥平面MAC,PA=PD=,AB=4.
10
图3231
(1)求证:M为PB的中点;
(2)求二面角BPDA的大小;
(3)求直线MC与平面BDP所成角的正弦值.
【导学号:46342181】
[解] (1)证明:设AC,BD交于点E,连接ME,
因为PD∥平面MAC,平面MAC∩平面PDB=ME,
所以PD∥ME.
因为四边形ABCD是正方形,
所以E为BD的中点,
所以M为PB的中点.
①
(2)如图②,取AD的中点O,连接OP,OE.
因为PA=PD,所以OP⊥AD.
又因为平面PAD⊥平面ABCD,且OP⊂平面PAD,
所以OP⊥平面ABCD.
因为OE⊂平面ABCD,所以OP⊥OE.
因为四边形ABCD是正方形,所以OE⊥AD.
如图②,建立空间直角坐标系Oxyz,则P(0,0,),D(2,0,0),B(-2,4,0),=(4,-4,0),=(2,0,-).
②
设平面BDP的法向量为n=(x,y,z),
10
则即
令x=1,则y=1,z=.
于是n=(1,1,).
平面PAD的法向量为p=(0,1,0),
所以cos〈n,p〉==.
由题意知二面角BPDA为锐角,所以它的大小为.
(3)由题意知M,C(2,4,0),=.
设直线MC与平面BDP所成角为α,则sin α=|cos〈n,〉|==,
所以直线MC与平面BDP所成角的正弦值为.
[能力提升练]
1.如图3232,在三棱柱ABCA1B1C1中,侧棱AA1⊥底面ABC,底面ABC是等腰直角三角形,∠ACB=90°,侧棱AA1=2,D,E分别是CC1与A1B的中点,点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G.则A1B与平面ABD所成角的正弦值为( )
图3232
A. B. C. D.
A [以C为坐标原点,CA所在的直线为x轴,CB所在的直线为y轴,CC1所在的直线为z轴建立空间直角坐标系,如图所示.
设CA=CB=a,则A(a,0,0),B(0,a,0),A1(a,0,2),D(0,0,1),∴E,G,
10
=,=(0,-a,1).∵点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G,∴⊥平面ABD,∴·=0,解得a=2,∴=,=(2,-2,2),∵⊥平面ABD,∴为平面ABD的一个法向量.又cos〈,〉===,∴A1B与平面ABD所成角的正弦值为.]
2.如图3233,已知矩形ABCD与矩形ABEF全等,二面角DABE为直二面角,M为AB的中点,FM与BD所成的角为θ,且cos θ=,则=( )
图3233
A.1 B. C. D.
C [不妨设BC=1,AB=λ,则=λ.记=a,=b,=c,则=b-a,=c-b,根据题意,|a|=|c|=1,|b|=λ,a·b=b·c=c·a=0,∴·=-b2=-λ2,而||=,||=,
∴|cos〈,〉|===,得λ=.故选C.]
3.在空间中,已知平面α过(3,0,0)和(0,4,0)及z轴上一点(0,0,a)(a>0),如果平面α与平面xOy的夹角为45°,则a=________.
[平面xOy的法向量为n=(0,0,1),设平面α的法向量为u=(x,y,z),则
即3x=4y=az,取z=1,则u=.
而cos〈n,u〉==,
10
又∵a>0,∴a=.]
4.如图3234,四棱锥PABCD中,底面ABCD是矩形,PD⊥平面ABCD且PD=AD=1,AB=2,点E是线段AB上一点,当二面角PECD为时,AE=________.
【导学号:46342182】
图3234
2- [设AE=a(0≤a≤2),以点D为坐标原点,,,的方向分别为x,y,z轴的正方向建立空间直角坐标系Dxyz(图略),则D(0,0,0),E(1,a,0),C(0,2,0),P(0,0,1),则=(1,a,-1),=(0,2,-1),设平面PEC的法向量为m=(x,y,z),则,即,令y=1,可得x=2-a,z=2,则m=(2-a,1,2),易知平面DEC的一个法向量为=(0,0,1),则|cos〈m,〉|==,解得a=2-或2+(舍去),所以AE=2-.]
5.如图3235,四面体ABCD中,△ABC是正三角形,△ACD是直角三角形,∠ABD=∠CBD,AB=BD.
图3235
(1)证明:平面ACD⊥平面ABC;
(2)过AC的平面交BD于点E,若平面AEC把四面体ABCD分成体积相等的两部分,求二面角DAEC的余弦值.
[解] (1)证明:由题设可得△ABD≌△CBD,从而AD=CD.
又△ACD是直角三角形,
所以∠ADC=90°.
取AC的中点O,连接DO,BO,
10
则DO⊥AC,DO=AO.
又因为△ABC是正三角形,故BO⊥AC,
所以∠DOB为二面角DACB的平面角.
在Rt△AOB中,BO2+AO2=AB2,
又AB=BD,所以BO2+DO2=BO2+AO2=AB2=BD2,
故∠DOB=90°.
所以平面ACD⊥平面ABC.
(2)由题设及(1)知,OA,OB,OD两两垂直,
以O为坐标原点,的方向为x轴正方向,||为单位长度,
建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz,
则A(1,0,0),B(0,,0),C(-1,0,0),D(0,0,1).
由题设知,四面体ABCE的体积为四面体ABCD的体积的,从而E到平面ABC的距离为D到平面ABC的距离的,
即E为DB的中点,得E,
故=(-1,0,1),=(-2,0,0),=.
设n=(x,y,z)是平面DAE的法向量,
则即
可取n=.
设m是平面AEC的法向量,则
同理可取m=(0,-1,),
则cos〈n,m〉==.
所以二面角DAEC的余弦值为.
10
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