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  • 2021-05-13 发布

高考数学教师备选作业立体几何体中的向量方法理

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第七章 第七节 立体几何体中的向量方法 一、选择题 ‎1.若平面α,β的法向量分别为a=(-1,2,4),b=(x,-1,-2),并且α⊥β,则x的值为 (  )‎ A.10           B.-10‎ C. D.- ‎2.已知=(1,5,-2), =(3,1,z),若 ⊥ , =(x-1,y,-3),且BP⊥平面ABC,则实数x,y,z分别为 (  )‎ A.,-,4 B.,-,4‎ C.,-2,4 D.4,,-15‎ ‎3.如图,在正方体ABCD-A1B‎1C1D1中,E为A‎1C1的中点,则异面直线CE与BD所成的角为 (  )‎ A.30° B.45°‎ C.60° D.90°‎ ‎4.如图所示,在正方体ABCD-A1B‎1C1D1中,棱长为a,M,N分别为A1B和AC上的点,A‎1M=AN=,则MN与平面BB‎1C1C的位置关系是 (  )‎ A.相交 B.平行 C.垂直 D.不能确定 ‎5.如图所示,在三棱柱ABC—A1B‎1C1中,AA1⊥底面ABC,AB=BC=AA1,∠ABC=90°,点E、F分别是棱AB、BB1的中点,则直线EF和BC1所成的角是 (  )‎ A.45° B.60°‎ C.90° D.120°‎ ‎6.如图,平面ABCD⊥平面ABEF,四边形ABCD是正方形,四边形ABEF是矩形,且AF=AD=a,G是EF的中点,则GB与平面AGC所成角的正弦值为 (  )‎ A. B. C. D. 二、填空题 ‎7.已知 =(2,2,1), =(4,5,3),则平面ABC的单位法向量是________.‎ ‎8.在如右图所示的正方体A1B‎1C1D1-ABCD中,E是C1D1的中点,正方体的棱长为2,则异面直线DE与AC所成角的余弦值为________.‎ ‎9.正四棱锥S-ABCD中,O为顶点在底面上的射影,P为侧棱SD的中点,且SO=OD,则直线BC与平面PAC所成的角是________.‎ 三、解答题 ‎10.如图,在△ABC中,∠ABC=60°,∠BAC=90°,AD是BC上的高,沿AD把△ABD折起,使∠BDC=90°.‎ ‎(1)证明:平面ADB⊥平面BDC;‎ ‎(2)设E为BC的中点,求 与 夹角的余弦值.‎ ‎11.已知四棱锥P-ABCD的底面为直角梯形,AB∥DC,∠DAB=90°,PA⊥底面ABCD,且PA=AD=DC=,AB=1,M是PB的中点.‎ ‎(1)证明:平面PAD⊥平面PCD;‎ ‎(2)求AC与PB所成的角;‎ ‎(3)求平面AMC与平面BMC所成二面角的余弦值.‎ ‎12.如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD.四边形ABCD中,AB⊥AD,AB+AD=4,CD=,∠CDA=45°.‎ ‎(1)求证:平面PAB⊥平面PAD;‎ ‎(2)设AB=AP.‎ ‎(ⅰ)若直线PB与平面PCD所成的角为30°,求线段AB的长;‎ ‎(ⅱ)在线段AD上是否存在一个点G,使得点G到点P、B、C、D的距离都相等?说明理由.‎ 详解答案 一、选择题 ‎1.解析:∵α⊥β,∴a·b=0‎ ‎∴x=-10.‎ 答案:B ‎2.解析: ⊥ ⇒ · =3+5-2z=0,∴z=4.‎ 又BP⊥平面ABC,‎ ‎∴·=x-1+5y+6=0,①‎ ‎·=3x-3+y-3z=0,②‎ 由①②得x=,y=-.‎ 答案:B ‎3. 解析:以D点为原点,建立空间直角坐标系,‎ 设正方体棱长为1,则相关点的坐标为C(0,1,0),E(,,1),B(1,1,0),D(0,0,0),∴ =(,-,1), =(-1,-1,0).‎ ‎∴ · =-++0=0.‎ ‎∴ ⊥ ,即CE⊥BD.‎ 答案:D ‎4. 解析:分别以C1B1,C1D1,C‎1C所在直线为x,y,z轴,建立空间直角坐标系.‎ ‎∵A‎1M=AN=a,‎ ‎∴M(a,a,),N(a,a,a).‎ ‎∴ =(-,0,a).‎ 又C1 (0,0,0),D1(0,a,0),‎ ‎∴ =(0,a,0).‎ ‎∴ · =0,∴⊥ .‎ ‎∵ 是平面BB‎1C1C的法向量,‎ 且MN⊄平面BB‎1C1C,‎ ‎∴MN∥平面BB‎1C1C.‎ 答案:B ‎5. 解析:以B点为坐标原点,以BC、BA、BB1分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系.设AB=BC=AA1=2,‎ 则B(0,0,0),C1(2,0,2),E(0,1,0),F(0,0,1),‎ ‎∴ =(0,-1,1), =(2,0,2)‎ ‎∴cos〈 , 〉= ‎==.∴EF与BC1所成角为60°.‎ 答案:B ‎6. 解析:如图,以A为原点建立空间直角坐标系,‎ 则A(0,0,0),B(0,‎2a,0),C(0,‎2a,‎2a),G(a,a,0),F(a,0,0), =(a,a,0), =(0,‎2a,‎2a),‎ ‎=(a,-a,0), =(0,0,‎2a),‎ 设平面AGC的法向量为n1=(x1,y1,1),‎ 由⇒⇒⇒‎ n1=(1,-1,1).‎ sinθ===.‎ 答案:C 二、填空题 ‎7.解析:设平面ABC的法向量n=(x,y,1),‎ 则n⊥ 且n⊥ ,‎ 即n· =0,且n·=0.‎ 即即 ‎∴n=(,-1,1),单位法向量为 ‎±=±(,-,).‎ 答案:(,-,)或(-,,-)‎ ‎8.解析:分别以DA,DC,DD1为x,y,z轴建立空间直角坐标系,则C(0,2,0),E(0,1,2),A(2,0,0),‎ ‎=(-2,2,0), =(0,1,2),‎ ‎∴cos〈 , 〉=.‎ 答案: ‎9.解析:如图,以O为原点建立空间直角坐标系O-xyz.设OD=SO=OA=OB=OC=a,‎ 则A(a,0,0),B(0,a,0),‎ C(-a,0,0),P(0,-,),‎ 则 =(‎2a,0,0) =(-a,-,), =(a,a,0),‎ 设平面PAC的法向量为n,可求得n=(0,1,1),‎ 则cos〈 ,n〉===,‎ ‎∴〈 ,n〉=60°.∴直线BC与平面PAC所成的角为90°-60°=30°.‎ 答案:30°‎ 三、解答题 ‎10.解:(1)证明:∵折起前AD是BC边上的高,‎ ‎∴当△ABD折起后,AD⊥DC,AD⊥DB.‎ 又DB∩DC=D,‎ ‎∴AD⊥平面BDC.‎ ‎∵AD⊂平面ABD,‎ ‎∴平面ABD⊥平面BDC.‎ ‎(2)由∠BDC=90°及(1)知DA,DB,DC两两垂直,不妨设|DB|=1,以D为坐标原点,以 , , 所在直线为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,易得D(0,0,0),B(1,0,0),C(0,3,0),A(0,0,),E(,,0),‎ ‎∴ =(,,-), =(1,0,0),‎ ‎∴ 与 夹角的余弦值为 cos〈,〉===.‎ ‎11.解:以A为坐标原点,AD长为单位长度,如图建立空间直角坐标系,则各点坐标为A(0,0,0),B(0,2,0),C(1,1,0),D(1,0,0),P(0,0,1),M(0,1,).‎ ‎(1)证明:因 =(0,0,1), =(0,1,0),故 · =0,所以AP⊥DC.‎ 由题设知AD⊥DC,且AP与AD是平面PAD内的两条相交直线,由此得DC⊥平面PAD.‎ 又DC在平面PCD上,故面PAD⊥面PCD.‎ ‎(2)因 =(1,1,0), =(0,2,-1),‎ 故| |=,| |=, · =2,‎ 所以cos< , >==.‎ ‎(3)在MC上取一点N(x,y,z),则存在λ∈R,使 =λ ,‎ ‎=(1-x,1-y,-z), =(1,0,-),‎ ‎∴x=1-λ,y=1,z=λ.‎ 要使AN⊥MC,只需 · =0即x-z=0,‎ 解得λ=.‎ 可知当λ=时,N点坐标为(,1,),‎ 能使 · =0.‎ 此时,=(,1,), =(,-1,),‎ 有 · =0‎ 由 · =0, · =0得AN⊥MC,BN⊥MC.‎ 所以∠ANB为所求二面角的平面角.‎ ‎∵| |=,| |=, · =-.‎ ‎∴cos〈, 〉==-.‎ ‎∴平面AMC与平面BMC所成角的余弦值为-.‎ ‎12.解:(1)证明:因为PA⊥平面ABCD,‎ AB⊂平面ABCD,‎ 所以PA⊥AB.‎ 又AB⊥AD,PA∩AD=A,‎ 所以AB⊥平面PAD.‎ 又AB⊂平面PAB,所以平面PAB⊥平面PAD.‎ ‎(2)以A为坐标原点,建立空间直角坐标系A-xyz(如图).‎ 在平面ABCD内,作CE∥AB交AD于点E,‎ 则CE⊥AD.‎ 在Rt△CDE中,DE=CD·cos 45°=1,‎ CE=CD·sin 45°=1.‎ 设AB=AP=t,则B(t,0,0),P(0,0,t).‎ 由AB+AD=4得AD=4-t,‎ 所以E(0,3-t,0),C(1,3-t,0),D(0,4-t,0),‎ ‎=(-1,1,0), =(0,4-t,-t).‎ ‎(ⅰ)设平面PCD的一个法向量为n=(x,y,z),‎ 由n⊥ ,n⊥ ,得 取x=t,得平面PCD的一个法向量n=(t,t,4-t).‎ 又 =(t,0,-t),‎ 故由直线PB与平面PCD所成的角为30°得 cos 60°=||,‎ 即=,‎ 解得t=或t=4(舍去,因为AD=4-t>0),‎ 所以AB=.‎ ‎(ⅱ)假设在线段AD上存在一个点G,使得点G到P,B,C,D的距离都相等,‎ 设G(0,m,0)(其中0≤m≤4-t),‎ 则 =(1,3-t-m,0),‎ ‎=(0,4-t-m,0),‎ ‎=(0,-m,t).‎ 由| |=| |得 ‎12+(3-t-m)2‎ ‎=(4-t-m)2,‎ 即t=3-m;(1)‎ 由| |=| |得(4-t-m)2=m2+t2.(2)‎ 由(1)、(2)消去t,化简得m2-‎3m+4=0.(3)‎ 由于方程(3)没有实数根,所以在线段AD上不存在一个点G,使得点G到点P、C、D的距离都相等.从而,在线段AD上不存在一个点G,使得点G到点P、B、C、D的距离都相等.‎