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- 2021-06-24 发布
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8.7.1 利用空间向量求线线角与线面角
考点一 异面直线所成的角
1.在直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠BCA=90°,M,N分别是A1B1,A1C1的中点,BC=CA=CC1,则BM与AN所成角的余弦值为 ( )
A. B. C. D.
2.在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1=AB=AC,AB⊥AC,M是CC1的中点,Q是BC的中点,点P在A1B1上,则直线PQ与直线AM所成的角为________.
3.如图所示,在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E是棱CC1的中点,=λ,若异面直线D1E和A1F所成角的余弦值为,则λ的值为________.
【解析】1.选C.建立如图所示空间直角坐标系.
设BC=CA=CC1=2,则可得A(2,0,0),B(0,2,0),M(1,1,2),N(1,0,2),所以=(1,-1,2),=(-1,0,2).
所以cos<,>==
==.
2.建立如图所示的空间直角坐标系,设AA1=2,
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则A(0,0,0),M(0,2,1),
P(t,0,2)(0≤t≤2),Q(1,1,0),故=(0,2,1),=(1-t,1,-2),而·=0,故⊥.
所以PQ与AM所成的角为.
答案:
3.以D为原点,以DA,DC,DD1分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,正方体的棱长为2,则
A1,D1,E,A ,
所以=,=+=+λ=+λ=,所以
cos<,>===,解得λ=(λ=-舍去).
答案:
求异面直线所成的角的两个关注点
(1)用向量方法求两条异面直线所成的角,
是通过两条直线的方向向量的夹角来求解的.
(2)由于两异面直线所成角的范围是θ∈0,,两方向向量的夹角α的范围是(0,π),所以要注意二者的区别与联系,应有cos θ=|cos α|.
考点二 直线与平面所成的角
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【典例】(2018·全国卷Ⅱ)如图,在三棱锥P-ABC中,AB=BC=2, PA=PB=PC=AC=4,O为AC的中点.
(1)证明:PO⊥平面ABC.
(2)若点M在棱BC上,且二面角M-PA-C为30°,求PC与平面PAM所成角的正弦值.
【解析】(1)因为AP=CP=AC=4,O为AC的中点,
所以OP⊥AC,且OP=2.
连接OB.因为AB=BC=AC,所以△ABC为等腰直角三角形,且OB⊥AC,OB=AC=2.
由OP2+OB2=PB2知PO⊥OB.
由OP⊥OB,OP⊥AC,OB∩AC=O,知PO⊥平面ABC.
(2)连接OM,如图,以O为坐标原点,的方向为x轴正方向,的方向为y轴正方向,的方向为z轴正方向,建立空间直角坐标系.
由已知得O(0,0,0),B(2,0,0),A(0,-2,0),C(0,2,0),P(0,0,2), =(0,2,2),取平面PAC的法向量=(2,0,0).
设M(a,2-a,0)(0=.
由已知得|cos<,n>|=.
所以=.
解得a=-4(舍去),a=.
所以n=.
又=(0,2,-2),
所以cos<, n >=.
所以PC与平面PAM所成角的正弦值为.
利用向量法求线面角的方法
(1)分别求出斜线和它在平面内的射影直线的方向向量,转化为求两个方向向量的夹角(或其补角);
(2)通过平面的法向量来求,即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐角,取其余角就是斜线和平面所成的角.
如图,四棱柱ABCD-A1B1C1D1的底面为菱形,∠BAD=120°,AB=2,E,F分别为CD,AA1的中点.
(1)求证:DF∥平面B1AE.
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(2)若AA1⊥底面ABCD,且直线AD1与平面B1AE所成线面角的正弦值为,求AA1的长.
【解析】(1)设G为AB1的中点,连接EG,GF,
因为FGA1B1,又DEA1B1,
所以FGDE,所以四边形DEGF是平行四边形,
所以DF∥EG,又DF⊄平面B1AE,EG⊂平面B1AE,所以DF∥平面B1AE.
(2)因为ABCD是菱形,且∠ABC=60°,所以△ABC是等边三角形.取BC中点M,则AM⊥AD,因为AA1⊥平面ABCD,所以AA1⊥AM,AA1⊥AD,建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz,令AA1=t(t>0),
则A(0,0,0),E,,0,B1(,-1,t),D1(0,2,t),
=,,0, =(,-1,t),=(0,2,t),
设平面B1AE的一个法向量为n=(x,y,z),
则n·=(x+y)=0且n·=x-y+tz=0,取n=(-t,t,4),设直线AD1与平面B1AE所成角为θ,则sin θ===,解得t=2,故线段AA1的长为2.
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