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- 2021-06-10 发布
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专题八 立体几何
第二十四讲 空间向量与立体几何
答案部分[来源:学§科§网Z§X§X§K]
2019年
1.解析:(1)连结B1C,ME.
因为M,E分别为BB1,BC的中点,所以ME∥B1C,且ME=B1C.
又因为N为A1D的中点,所以ND=A1D.
由题设知A1B1DC,可得B1CA1D,故MEND,
因此四边形MNDE为平行四边形,MN∥ED.
又MN平面EDC1,所以MN∥平面C1DE.
(2)由已知可得DE⊥DA.
以D为坐标原点,的方向为x轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,
则,A1(2,0,4),,,,,,.
设为平面A1MA的法向量,则,
所以可取.
设为平面A1MN的法向量,则
所以可取.
于是,
所以二面角的正弦值为.
2.解析:(I)因为平面,所以.
又因为,所以.平面,
(II)过A作AD的垂线交BC于点M,因为平面,所以,如图建立空间直角坐标系A-xyz,则A(0,0,0),B(2,-1,0),C(2,2,0),
D(0,2,0),P(0,0,2),因为E为PD的中点,所以E(0,1,1).
所以,, .
所以,
设平面AEF的法向量为,则
,即.
令z=1,则y=-1,x=-1.于是.
又因为平面PAD的法向量为,所以.
因为二面角F-AE-P为锐角,所以其余弦值为
(III)直线AG在平面AEF内,因为点G在PB上,且
所以,.
由(II)知,平面AEF的法向量为,
所以,所以直线AG在平面AEF内.
3.解析:方法一:
(I)连接A1E,因为A1A=A1C,E是AC的中点,所以A1E⊥AC.
又平面A1ACC1⊥平面ABC,A1E平面A1ACC1,
平面A1ACC1∩平面ABC=AC,
所以,A1E⊥平面ABC,则A1E⊥BC.
又因为A1F∥AB,∠ABC=90°,故BC⊥A1F.
所以BC⊥平面A1EF.
因此EF⊥BC.
(Ⅱ)取BC中点G,连接EG,GF,则EGFA1是平行四边形.
由于A1E⊥平面ABC,故AE1⊥EG,所以平行四边形EGFA1为矩形.
由(I)得BC⊥平面EGFA1,则平面A1BC⊥平面EGFA1,
所以EF在平面A1BC上的射影在直线A1G上.
连接A1G交EF于O,则∠EOG是直线EF与平面A1BC所成的角(或其补角).
不妨设AC=4,则在Rt△A1EG中,A1E=2,EG=.
由于O为A1G的中点,故,
所以.
因此,直线EF与平面A1BC所成角的余弦值是.
方法二:
(Ⅰ)连接A1E,因为A1A=A1C,E是AC的中点,所以A1E⊥AC.
又平面A1ACC1⊥平面ABC,A1E平面A1ACC1,
平面A1ACC1∩平面ABC=AC,所以,A1E⊥平面ABC.
如图,以点E为原点,分别以射线EC,EA1为y,z轴的正半轴,建立空间直角坐标系E–xyz.
不妨设AC=4,则
A1(0,0,2),B(,1,0),,,C(0,2,0).
因此,,.
由得.
(Ⅱ)设直线EF与平面A1BC所成角为,
由(Ⅰ)可得,,
设平面A1BC的法向量为,
由,得,
取,故.
因此直线EF与平面A1BC所成角的余弦值为.
4.证明:(1)因为D,E分别为BC,AC的中点,
所以ED∥AB.
在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AB∥A1B1,
所以A1B1∥ED.
又因为ED⊂平面DEC1,A1B1平面DEC1,
所以A1B1∥平面DEC1.
(2)因为AB=BC,E为AC的中点,所以BE⊥AC.
因为三棱柱ABC-A1B1C1是直棱柱,所以CC1⊥平面ABC.
又因为BE⊂平面ABC,所以CC1⊥BE.
因为C1C⊂平面A1ACC1,AC⊂平面A1ACC1,C1C∩AC=C,
所以BE⊥平面A1ACC1.
因为C1E⊂平面A1ACC1,所以BE⊥C1E.
32.(2019全国Ⅲ理19)图1是由矩形ADEB、Rt△ABC和菱形BFGC组成的一个平面图形,其中AB=1,BE=BF=2,∠FBC=60°,将其沿AB,BC折起使得BE与BF重合,连结DG,如图2.
(1)证明:图2中的A,C,G,D四点共面,且平面ABC⊥平面BCGE;
(2)求图2中的二面角B-CG-A的大小.
5.解析(1)由已知得ADBE,CGBE,所以ADCG,故AD,CG确定一个平面,从而A,C,G,D四点共面.
由已知得ABBE,ABBC,故AB平面BCGE.
又因为AB平面ABC,所以平面ABC平面BCGE.
(2)作EHBC,垂足为H.因为EH平面BCGE,平面BCGE平面ABC,所以EH平面ABC.
由已知,菱形BCGE的边长为2,∠EBC=60°,可求得BH=1,EH=.
以H为坐标原点,的方向为x轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(–1,1,0),C(1,0,0),G(2,0,),=(1,0,),=(2,–1,0).
设平面ACGD的法向量为n=(x,y,z),则
即
所以可取n=(3,6,–).
又平面BCGE的法向量可取为m=(0,1,0),所以.
因此二面角B–CG–A的大小为30°.
6.解析:(1)由已知得,平面,平面,
故.
又,所以平面.
(2)由(1)知.由题设知,所以,
故,.
以为坐标原点,的方向为x轴正方向,为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,
则C(0,1,0),B(1,1,0),(0,1,2),E(1,0,1),,,.
设平面EBC的法向量为n=(x,y,x),则
即
所以可取n=.
设平面的法向量为m=(x,y,z),则
即
所以可取m=(1,1,0).
于是.
所以,二面角的正弦值为.
7.解析:(I)因为平面,所以.
又因为,所以.平面,
(II)过A作AD的垂线交BC于点M,因为平面,所以,如图建立空间直角坐标系A-xyz,则A(0,0,0),B(2,-1,0),C(2,2,0),
D(0,2,0),P(0,0,2),因为E为PD的中点,所以E(0,1,1).
所以,, .
所以,
设平面AEF的法向量为,则
,即.
令z=1,则y=-1,x=-1.于是.
又因为平面PAD的法向量为,所以.
因为二面角F-AE-P为锐角,所以其余弦值为
(III)直线AG在平面AEF内,因为点G在PB上,且
所以,.
由(II)知,平面AEF的法向量为,
所以,所以直线AG在平面AEF内.
8.解析:方法一:
(I)连接A1E,因为A1A=A1C,E是AC的中点,所以A1E⊥AC.
又平面A1ACC1⊥平面ABC,A1E平面A1ACC1,
平面A1ACC1∩平面ABC=AC,
所以,A1E⊥平面ABC,则A1E⊥BC.
又因为A1F∥AB,∠ABC=90°,故BC⊥A1F.
所以BC⊥平面A1EF.
因此EF⊥BC.
(Ⅱ)取BC中点G,连接EG,GF,则EGFA1是平行四边形.
由于A1E⊥平面ABC,故AE1⊥EG,所以平行四边形EGFA1为矩形.
由(I)得BC⊥平面EGFA1,则平面A1BC⊥平面EGFA1,
所以EF在平面A1BC上的射影在直线A1G上.
连接A1G交EF于O,则∠EOG是直线EF与平面A1BC所成的角(或其补角).
不妨设AC=4,则在Rt△A1EG中,A1E=2,EG=.
由于O为A1G的中点,故,
所以.
因此,直线EF与平面A1BC所成角的余弦值是.
方法二:
(Ⅰ)连接A1E,因为A1A=A1C,E是AC的中点,所以A1E⊥AC.
又平面A1ACC1⊥平面ABC,A1E平面A1ACC1,
平面A1ACC1∩平面ABC=AC,所以,A1E⊥平面ABC.
如图,以点E为原点,分别以射线EC,EA1为y,z轴的正半轴,建立空间直角坐标系E–xyz.
不妨设AC=4,则
A1(0,0,2),B(,1,0),,,C(0,2,0).
因此,,.
由得.
(Ⅱ)设直线EF与平面A1BC所成角为,
由(Ⅰ)可得,,
设平面A1BC的法向量为,
由,得,
取,故.
因此直线EF与平面A1BC所成角的余弦值为.
9.解析(1)由已知得ADBE,CGBE,所以ADCG,故AD,CG确定一个平面,从而A,C,G,D四点共面.
由已知得ABBE,ABBC,故AB平面BCGE.
又因为AB平面ABC,所以平面ABC平面BCGE.
(2)作EHBC,垂足为H.因为EH平面BCGE,平面BCGE平面ABC,所以EH平面ABC.
由已知,菱形BCGE的边长为2,∠EBC=60°,可求得BH=1,EH=.
以H为坐标原点,的方向为x轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(–1,1,0),C(1,0,0),G(2,0,),=(1,0,),=(2,–1,0).
设平面ACGD的法向量为n=(x,y,z),则
即
所以可取n=(3,6,–).
又平面BCGE的法向量可取为m=(0,1,0),所以.
因此二面角B–CG–A的大小为30°.
10.解析:(1)由已知得,平面,平面,
故.
又,所以平面.
(2)由(1)知.由题设知,所以,
故,.
以为坐标原点,的方向为x轴正方向,为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,
则C(0,1,0),B(1,1,0),(0,1,2),E(1,0,1),,,.
设平面EBC的法向量为n=(x,y,x),则
即
所以可取n=.
设平面的法向量为m=(x,y,z),则
即
所以可取m=(1,1,0).
于是.
所以,二面角的正弦值为.
11.解析:(1)连结B1C,ME.
因为M,E分别为BB1,BC的中点,所以ME∥B1C,且ME=B1C.
又因为N为A1D的中点,所以ND=A1D.
由题设知A1B1DC,可得B1CA1D,故MEND,
因此四边形MNDE为平行四边形,MN∥ED.
又MN平面EDC1,所以MN∥平面C1DE.
(2)由已知可得DE⊥DA.
以D为坐标原点,的方向为x轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,
则,A1(2,0,4),,,,,,.
设为平面A1MA的法向量,则,
所以可取.
设为平面A1MN的法向量,则
所以可取.
于是,
所以二面角的正弦值为.
12.解析:(I)因为平面,所以.
又因为,所以.平面,
(II)过A作AD的垂线交BC于点M,因为平面,所以,如图建立空间直角坐标系A-xyz,则A(0,0,0),B(2,-1,0),C(2,2,0),
D(0,2,0),P(0,0,2),因为E为PD的中点,所以E(0,1,1).
所以,, .
所以,
设平面AEF的法向量为,则
,即.
令z=1,则y=-1,x=-1.于是.
又因为平面PAD的法向量为,所以.
因为二面角F-AE-P为锐角,所以其余弦值为
(III)直线AG在平面AEF内,因为点G在PB上,且
所以,.
由(II)知,平面AEF的法向量为,
所以,所以直线AG在平面AEF内.
13.解析 依题意,可以建立以为原点,分别以的方向为轴,轴,
轴正方向的空间直角坐标系,如图所示,可得,.设,则.
(Ⅰ)依题意,是平面的法向量,又,可得,又因为直线平面,所以平面.
(Ⅱ)依题意,.
设为平面的法向量,则,即,不妨令,
可得.因此有.
所以,直线与平面所成角的正弦值为.
(Ⅲ)设为平面的法向量,则,即,
不妨令,可得.
由题意,有,解得.经检验,符合题意.
所以,线段的长为.
2010-2018年
1.【解析】(1)由已知可得,⊥,⊥,所以⊥平面PEF.
又平面,所以平面⊥平面.
(2)作⊥,垂足为.由(1)得,⊥平面.
以为坐标原点,的方向为轴正方向,为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系.
由(1)可得,⊥.又=2,=1,所以=.
又=1,=2,故⊥.
可得,.
则,,,,
为平面的法向量.
设与平面所成角为,则.
所以与平面所成角的正弦值为.
2.【解析】(1)在三棱柱中,
∵⊥平面,
∴四边形为矩形.
又,分别为,的中点,
∴⊥.
∵.
∴⊥,
∴⊥平面.
(2)由(1)知⊥,⊥,∥.
又⊥平面,∴⊥平面.
∵平面,∴⊥.
如图建立空间直角坐称系.
由题意得,,,,.
∴,,
设平面的法向量为,
∴,∴,
令,则,,
∴平面的法向量,
又∵平面的法向量为,
∴.
由图可得二面角为钝角,所以二面角的余弦值为.
(3)平面的法向量为,∵,,
∴,∴,∴与不垂直,
∴与平面不平行且不在平面内,∴与平面相交.
3.【解析】(1)因为,为的中点,所以,且.
连结.因为,所以为等腰直角三角形,
且,.
由知.
由,知平面.
(2)如图,以为坐标原点,的方向为轴正方向,建立空间直角坐标系.
由已知得,,,,,
,取平面的法向量.
设,则.
设平面的法向量为.
由得,可取,
所以.由已知得.
所以.解得(舍去),.
所以.又,所以.
所以与平面所成角的正弦值为.
4.【解析】(1)由题设知,平面⊥平面,交线为.
因为⊥,平面,所以⊥平面,故⊥.
因为为上异于,的点,且为直径,所以 ⊥.
又=,所以⊥平面.
而平面,故平面⊥平面.
(2)以为坐标原点,的方向为轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系.
当三棱锥体积最大时,为的中点.
由题设得,,,,,
,,
设是平面的法向量,则
即
可取.
是平面的法向量,因此
,
,
所以面与面所成二面角的正弦值是.
5.【解析】依题意,可以建立以为原点,分别以,,的方向为轴,轴,轴的正方向的空间直角坐标系(如图),可得,,,,,,,,.
(1)证明:依题意,.设为平面的法向量,则 即 不妨令,可得.
又,可得,
又因为直线平面,所以∥平面.
(2)依题意,可得,,.
设为平面的法向量,则 即
不妨令,可得.
设为平面的法向量,则 即
不妨令,可得.
因此有,于是.
所以,二面角的正弦值为.
(3)设线段的长为(),则点的坐标为,可得.
易知,为平面的一个法向量,故
,
由题意,可得,解得.
所以线段的长为.
6.【解析】如图,在正三棱柱中,设,的中点分别为,,则,,,以为基底,建立空间直角坐标系.
因为,
所以.
(1)因为为的中点,所以,
从而,
故.
因此,异面直线BP与AC1所成角的余弦值为.
(2)因为Q为BC的中点,所以,
因此,.
设n=(x,y,z)为平面AQC1的一个法向量,
则即
不妨取,
设直线CC1与平面AQC1所成角为,
则,
所以直线CC1与平面AQC1所成角的正弦值为.
7.【解析】(1)由已知,得AB⊥AP,CD⊥PD.
由于AB∥CD,故AB⊥PD,从而AB⊥平面PAD.
又AB 平面PAB,所以平面PAB⊥平面PAD.
(2)在平面内做,垂足为,
由(1)可知,平面,故,可得平面.
以为坐标原点,的方向为轴正方向,为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系.
由(1)及已知可得,,,.
所以,,,
.
设是平面的法向量,则
,即,
可取.
设是平面的法向量,则
,即,
可取.
则,
所以二面角的余弦值为.
8.【解析】(1)取的中点,连结,.因为是的中点,所以,.由得,又,所以,四边形是平行四边形,,又平面,平面,故∥平面.
(2)由已知得,以为坐标原点,的方向为轴正方向,为单位长,建立如图的空间直角坐标系,则,,,,,.
设,则,.
因为与底面所成的角为,而是底面的法向量,所以,,
即. ①
又在棱上,设,则
,,. ②
由①,②解得(舍去),
所以,从而.
设是平面的法向量,则
,即,
所以可取,于是.
因此二面角的余弦值为.
9.【解析】(1)由题设可得,,从而.
又是直角三角形,所以
取的中点,连接,,则,.
又由于是正三角形,故.
所以为二面角的平面角.
在中,.
又,所以,故.
所以平面平面.
(2)由题设及(1)知,两两垂直,以为坐标原点,的方向为轴正方向,为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系,则
,,,.
由题设知,四面体的体积为四面体的体积的,从而到平面的距离为到平面的距离的,即为的中点,得.故
,,
设是平面的法向量,则即
可取
设是平面的法向量,则同理可得
则
所以二面角的余弦值为.
10.【解析】如图,以为原点,分别以,,方向为x轴、y轴、z轴正方向建立空间直角坐标系.依题意可得
,,,,,,,.
(Ⅰ)证明:=,=.设,为平面的法向量,
则,即.不妨设,可得.又=(1,2,),可得.
因为平面BDE,所以MN//平面BDE.
(Ⅱ)易知为平面CEM的一个法向量.设为平面EMN的法向量,则,因为,,所以.不妨设,可得.
因此有,于是.
所以,二面角C—EM—N的正弦值为.
(Ⅲ)依题意,设AH=h(),则H(0,0,h),进而可得,.由已知,得,整理得,解得,或.
所以,线段AH的长为或.
11.【解析】(Ⅰ)设交点为,连接.
因为平面,平面平面,所以.
因为是正方形,所以为的中点,在中,知为的中点.
(Ⅱ)取的中点,连接,.
因为,所以.
又因为平面平面,且平面,所以平面.
因为平面,所以.
因为是正方形,所以.
如图建立空间直角坐标系,则,,,
,.
设平面的法向量为,则,即.
令,则,.于是.
平面的法向量为,所以.
由题知二面角为锐角,所以它的大小为.
(Ⅲ)由题意知,,.
设直线与平面所成角为,则.
所以直线与平面所成角的正弦值为.
12.【解析】(1)∵面面,面面,[来源:学科网]
∵,面,∴面,
∵面, ∴,
又,∴面,
(2)取中点为,连结,,
∵, ∴,
∵, ∴,
以为原点,如图建系易知,,,,
则,,,,
设为面的法向量,令.
,则与面夹角有,
(3)假设存在点使得面, 设,,
由(2)知,,,,
有
∴
∵面,为的法向量,
∴,即,∴
∴综上,存在点,即当时,点即为所求.
13.【解析】(Ⅰ)连结,取的中点,连结,因为,在上底面内,不在上底面内,所以上底面,所以平面;又因为,平面,平面,所以平面;所以平面平面,由平面,所以平面.
E
F
B
A
C
G
H
(Ⅱ) 连结, ,以为原点,分别以为
轴,建立空间直角坐标系.
E
F
B
A
C
O,
O
x
y
z
,.
,
于是有,,,,
可得平面中的向量,,
于是得平面的一个法向量为,
又平面的一个法向量为,
设二面角为,
则.
二面角的余弦值为.
14.【解析】(1)证明:找到中点,连结,∵矩形,∴
∵、是中点,∴是的中位线,∴且,
∵是正方形中心,∴,∴且.
∴四边形是平行四边形,∴
∵面,∴面
(2)正弦值,如图所示建立空间直角坐标系
,,,
设面的法向量
得:∴
∵面,∴面的法向量
(3)∵,∴
设,
∴,得:
15.【解析】(Ⅰ)连接,设,连接.
在菱形中,不妨设,由,可得,
由平面,可知,,
又∵,∴,,
在中,可得,故.在中,可得.
在直角梯形中,由,,,可得,
∴,∴,
∵∩=,∴平面,
∵面,∴平面平面.
(Ⅱ)如图,以为坐标原点,分别以的方向为轴,y轴正方向,为单位长度,建立空间直角坐标系G-xyz,由(Ⅰ)可得(0,-,0),(1,0, ),(-1,0,),(0,,0),
∴=(1,,),=(-1,-,).
故.
所以直线与所成的角的余弦值为.
16.【解析】解法一:(Ⅰ)如图,取的中点,连接,,
又是的中点,,
又是中点,,
由四边形ABCD是矩形得,∥,,
所以∥,且.
从而四边形是平行四边形,所以∥,
又,所以∥平面.
(Ⅱ)如图,在平面内,过点作∥,因为.
又因为平面,所以,.
以为原点,分别以的方向为x轴,轴,轴的正方向,
建立空间直角坐标系,则A(0,0,2),B(0,0,0),E(2,0,0),F(2,2,1)
因为平面,所以为平面的法向量,
设为平面AEF的法向量.又,,
由取得.
从而
所以平面AEF与平面BEC所成锐二面角的余弦值为.
解法二:(Ⅰ)如图,取中点,连接,,
又是的中点,可知,
又,[来源:学科网]
所以平面.
在矩形ABCD中,由分别是,的中点得.
又,所以.
又因为,
所以平面,
因为,所以
(Ⅱ)同解法一.
17.【解析】(Ⅰ)证法一:连接,设,连接.
在三棱台中,,为的中点,
可得,
所以四边形为平行四边形,
则为的中点,又为的中点,所以∥,
又平面,平面,所以∥平面.
证法二:在三棱台中,由,为的中点,
可得∥,,所以四边形为平行四边形,
可得 ∥,
在中,为的中点,为的中点,所以∥,
又,所以平面∥平面,
因为平面,所以 ∥平面.
(Ⅱ)解法一:设,则,
在三棱台中,为的中点,
由,可得四边形为平行四边形,
因此∥,又平面,所以 平面,
在中,由,,是中点,
所以 ,因此 两两垂直,
以为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,
所以
可得,
故,
设是平面的一个法向量,则
由 可得
可得 平面的一个法向量,
因为是平面的一个法向量,,
所以,
所以平面与平面所成角(锐角)的大小为.
解法二:作与点,作与点,连接.
由平面,得,
又,所以平面,
因此,所以即为所求的角,
在中,∥,,
由,可得,从而,
由 平面,平面,得 ,
因此 ,所以 ,
所以 平面与平面所成角(锐角)的大小为.
18.【解析】(Ⅰ)在图1中,因为,,是的中点,
=,所以.
即在图2中,,.从而平面.
又∥,所以平面.
(Ⅱ)由已知,平面平面,又由(Ⅰ)知,,.
所以为二面角的平面角,所以.
如图,以为原点,建立空间直角坐标系,
因为,
所以,,,.
得 ,.
设平面的法向量,平面的法向量,
平面与平面夹角为,
则,得,取,
,得,取,
从而,
即平面与平面夹角的余弦值为.
19.【解析】(Ⅰ)连接交于点,连结.
因为为矩形,所以为的中点.
又为的中点,所以∥.
平面,平面,所以∥平面.
(Ⅱ)因为平面,为矩形,所以,,两两垂直.
如图,以为坐标原点,的方向为轴的正方向,为单位长,建立空间直角坐标系,
则.
设,则.
设为平面的法向量,
则即,可取.
又为平面的法向量,
由题设,即,解得.
因为为的中点,所以三棱锥的高为.
三棱锥的体积.
20.【解析】(Ⅰ)证明:∵四边形为等腰梯形,且,
所以且,连接
为四棱柱,
又为的中点,
,
,
为平行四边形,
又 ,,.
(Ⅱ)方法一: 由(Ⅰ)知 平面平面=
作,连接
则即为所求二面角的平面角.
在中,
在中,.
方法二:连接,由(Ⅰ)知且[来源:Z*xx*k.Com]
∴为平行四边形.可得,由题意,
所以为正三角形.
因此,∴.
以为原点,为轴,为轴,为轴建立空间坐标系,
设平面的法向量为
显然平面的法向量为
显然二面角为锐角,
所以平面和平面所成角的余弦值为
21.【解析】(Ⅰ)(方法一)∵,
且,∴为三角形,
.同理,∵,
且,为三角形
,∴,
过作,垂足为,连接,
可证出,
所以,即.
从而证出面,又面,所以.
(方法二)由题意,以为坐标原点,在平面内过作垂直的直线为轴,
所在直线为轴,在平面内过作垂直的直线为轴,建立如图所示空问直角坐标系.易得,,
,.因而,
,∴,
,因此,
∴,所以.
(Ⅱ)如上图中,平面的一个法向量为.设平面的法向量
,又,,
由得其中.
设二面角大小为,且由题意知为锐角
,因此,
即所求二面角的正弦值为.
22.【解析】(Ⅰ)连接,交,连接AO,因为侧面,
所以
又
又
(Ⅱ)因为
又因为,
以
.
因为
则
23.【解析】:(Ⅰ)因为平面,平面平面平面
所以平面又平面所以.
(Ⅱ)过点在平面内作,如图.
由(Ⅰ)知平面平面所以.以为坐标原点,分别以的方向为轴, 轴, 轴的正方向建立空间直角坐标系.
依题意,得.
则.
设平面的法向量.
则即.
取得平面的一个法向量.
设直线与平面所成角为,
则
即直线与平面所成角的正弦值为.
24.【解析】(Ⅰ)在直角梯形中,由,得,,
由,则,即,
又平面平面,从而平面,
所以,又,从而平面.
(Ⅱ)方法一:作,与交于点,过点作,
与交于点,连结,由(Ⅰ)知,,则,
所以是二面角的平面角,在直角梯形中,
由,得,
又平面平面,得平面,从而,,
由于平面,得:,在中,由,
,得,
在中,,,得,
在中,,,,
得,,从而,
在中,利用余弦定理分别可得,
在中,,
所以,即二面角的大小是.
方法二:以为原点,分别以射线为轴的正半轴,建立空间直角坐标系如图所示,由题意可知各点坐标如下:
,
设平面的法向量为,平面的法向量为,
可算得,,
由得,,可取,
由得,,可取,
于是,由题意可知,
所求二面角是锐角,故二面角的大小是.
25.【解析】(Ⅰ)平面,
,又,,
平面,
,又,
平面,即;
(Ⅱ)设,则中,,又,
,,由(Ⅰ)知
,,
,又,
,,同理,
如图所示,以D为原点,建立空间直角坐标系,则,
,,,,
设是平面的法向量,则,又,
所以,令,得,,
由(Ⅰ)知平面的一个法向量,
设二面角的平面角为,可知为锐角,
,即所求.
26.【解析】(Ⅰ)如图,因为四边形为矩形,所以.同理.因为∥,所以.而,因此底面.由题设知,∥.故底面.
(Ⅱ)解法一 如图,过作于H,
连接,由(Ⅰ)知,底面,所以底面,
于是.又因为四棱柱ABCD-的所有棱长
都相等,所以四边形是菱形,因此,
从而,所以,
于是,进而.
故是二面角的平面角.
不妨设AB=2.因为,所以,.
在中,易知.而,
于是.
故.
即二面角的余弦值为.
解法2 因为四棱柱-的所有棱长都相等,所以四边形是菱形,因此.又底面,从而OB,OC, 两两垂直.
如图,以O为坐标原点,OB,OC, 所在直线分别为轴,轴,轴,建立空间直角坐标系.不妨设AB=2.因为,所以,于是相关各点的坐标为:O(0,0,0),,.
易知,是平面的一个法向量.
设是平面的一个法向量,则即
取,则,所以.
设二面角的大小为,易知是锐角,于是.
故二面角的余弦值为.
27.【解析】:(Ⅰ)由该四面体的三视图可知:
,
由题设,∥面
面面
面面
∥,∥, ∥.
同理∥,∥, ∥.
四边形是平行四边形
又
平面
∥,∥
四边形是矩形
(Ⅱ)如图,以为坐标原点建立空间直角坐标系,
则,,,
,,
设平面的一个法向量
∥,∥
即得,取
28.【解析】(Ⅰ)取AB中点E,
连结CE,,,
∵AB=,=,∴是正三角形,
∴⊥AB, ∵CA=CB, ∴CE⊥AB,
∵=E,∴AB⊥面,
∴AB⊥;
(Ⅱ)由(Ⅰ)知EC⊥AB,⊥AB,
又∵面ABC⊥面,面ABC∩面=AB,∴EC⊥面,∴EC⊥,
∴EA,EC,两两相互垂直,以E为坐标原点,的方向为轴正方向,||为单位长度,建立如图所示空间直角坐标系,
有题设知A(1,0,0),(0,,0),C(0,0,),B(-1,0,0),则=(1,0,),
==(-1,0,),=(0,-,),
设=是平面的法向量,
则,即,可取=(,1,-1),
∴=,
∴直线A1C 与平面BB1C1C所成角的正弦值为.
29.【解析】(Ⅰ)连结,交于点O,连结DO,则O为的中点,
因为D为AB的中点,所以OD∥,又因为OD平面,
平面,所以 //平面;
(Ⅱ)由=AC=CB=AB可设:AB=,则=AC=CB=,
所以AC⊥BC,又因为直棱柱,所以以点C为坐标原点,分别以直线CA、CB、
为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系如图,
则、、、,
,,,
,设平面的法向量为,
则且,可解得,令,得平面的
一个法向量为,同理可得平面的一个法向量为,
则,所以,
所以二面角D--E的正弦值为.
30.【解析】(Ⅰ)在图1中,易得
连结,在中,由余弦定理可得
由翻折不变性可知,
所以,所以,
理可证, 又,所以平面.
(Ⅱ)传统法:过作交的延长线于,连结,
因为平面,所以,
所以为二面角的平面角.
结合图1可知,为中点,故,从而
所以,所以二面角的平面角的余弦值为.
向量法:以点为原点,建立空间直角坐标系如图所示,
则,,
所以,
设为平面的法向量,则
,即,解得,令,得
由(Ⅰ) 知,为平面的一个法向量,
所以,
即二面角的平面角的余弦值为.
31.【解析】:(Ⅰ)解法一 由题意易知
两两垂直,以O为原点建立直角坐标系,如图:
,
解法二:
(Ⅱ)
取
由(Ⅰ)知,
32.【解析】(Ⅰ)直线平面,证明如下:
连接,因为,分别是,的中点,所以.
又平面,且平面,所以平面.
而平面,且平面平面,所以.
因为平面,平面,所以直线平面.
(Ⅱ)(综合法)如图1,连接,由(Ⅰ)可知交线即为直线,且.
因为是的直径,所以,于是.
已知平面,而平面,所以.
而,所以平面.
连接,,因为平面,所以.
故就是二面角的平面角,即.
由,作,且.
连接,,因为是的中点,,所以,
从而四边形是平行四边形,.
连接,因为平面,所以是在平面内的射影,
故就是直线与平面所成的角,即.
又平面,有,知为锐角,
故为异面直线与所成的角,即,
于是在△,△,△中,分别可得
,,,
从而,即.
(Ⅱ)(向量法)如图2,由,作,且.
连接,,,,,由(Ⅰ)可知交线即为直线.
以点为原点,向量所在直线分别为轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
设,则有
,
.
于是,,,
所以,从而.
又取平面的一个法向量为,可得,
设平面的一个法向量为,
所以由 可得 取.
于是,从而.
故,
即.
33.【解析】解法一 如图,以点A为原点建立空间直角坐标系,
依题意得A(0,0,0),B(0,0,2),C(1,0,1),B1(0,2,2),C1(1,2,1),E(0,1,0)
(Ⅰ)易得=(1,0,-1),=(-1,1,-1),于是,所以.
(Ⅱ) =(1,-2,-1).设平面的法向量,则,即消去,得y+2z =0,不妨令z=1,可得一个法向量为=(-3,-2,1).由(Ⅰ)知,,又,可得平面,故=(1,0,-1)为平面的一个法向量.
于是
从而
所以二面角B1-CE-C1的正弦值为.
(Ⅲ)=(0,1,0),=(1,l,1),设,,
有.可取=(0,0,2)为平面的一
个法向量,设为直线AM与平面所成的角,
则
于是,解得,所以
34.【解析】(Ⅰ)在中,,得:
同理:
得:面
(Ⅱ)面
取的中点,过点作于点,连接
,面面面
得:点与点重合
且是二面角的平面角
设,则,
既二面角的大小为
35.【解析】(Ⅰ)以为原点的方向分别
为轴,轴,轴的正方向建立空间直角坐标系(如图).[来源:学科网ZXXK]
设,则,,,,
故,,,
.
∵, ∴
(Ⅱ)假设在棱AA1上存在一点, 使得DP平面.此时.
又设平面的法向量=(x,y,z).
∵平面,∴,,得
取,得平面的一个法向量.
要使DP平面,只要,有,解得.
又DP平面,∴存在点P,满足DP平面,此时AP=.
(Ⅲ)连接A1D,B1C,由长方体ABCD-A1B1C1D1及AA1=AD=1,得AD1A1D.
∵B1CA1D,∴AD1B1C.
又由(Ⅰ)知B1EAD1,且B1C∩B1E=B1,
∴AD1平面DCB1A1.∴是平面A1B1E的一个法向量,此时=(0,1,1).
设与n所成的角为θ,
则.
∵二面角A-B1E-A1的大小为30°,
∴,即
解得,即AB的长为2.
36.【解析】(Ⅰ)因为,分别为,的中点,所以是的中位线,
所以,又因为平面,所以平面
(Ⅱ)方法一:连接交于,以为原点,所在直线为轴,建立空间直角坐标系,如图所示.
在菱形中,,得
,
又因为平面,所以,
在直角中,,得,
由此知个点坐标如下,
.
设为平面的法向量,由知,取,得.
设为平面的法向量,由知
,取,得
于是,
所以二面角的平面角的余弦值为
方法二:在菱形中,,得
又因为平面,
所以
所以
所以
而,分别为,的中点,
所以,且
取线段中点,连接,则
所以是二面角的平面角
由,故
在中,,得
在直角中,,得
在中,,得
在等腰中,,得
所以二面角的平面角的余弦值为
37.【解析】(Ⅰ)因为, 由余弦定理得
从而,故BDAD
又PD底面ABCD,可得BDPD
所以BD平面PAD. 故 PABD
(Ⅱ)如图,以D为坐标原点,AD的长为单位长,射线DA为轴的正半轴建立空间直角坐标系D-,则
,,,.
设平面的法向量为,则,
即
因此可取=
设平面的法向量为,则
可取=(0,-1,)
故二面角A-PB-C的余弦值为.
38.【解析】(Ⅰ)(综合法)证明:设G是线段DA与EB延长线的交点. 由于与都是正三角形,所以,OG=OD=2,
同理,设是线段DA与线段FC延长线的交点,有
又由于G和都在线段DA的延长线上,所以G与重合.
在和中,由和OC,可知B和C分别是GE和GF的中点,所以BC是的中位线,故BCEF.
(向量法)过点F作,交AD于点Q,连QE,由平面ABED平面ADFC,知FQ平面ABED,以Q为坐标原点,为轴正向,为y轴正向,为z轴正向,建立如图所示空间直角坐标系.
由条件知
则有 所以即得BCEF.
(Ⅱ)由OB=1,OE=2,,而是边长为2的正三角形,故所以
过点F作FQAD,交AD于点Q,由平面ABED平面ACFD知,FQ就是四棱锥F—OBED的高,且FQ=,所以
39.【证明】(Ⅰ)在△PAD中,因为E、F分别为AP,AD的中点,所以EF//PD.
又因为EF平面PCD,PD平面PCD,所以直线EF//平面PCD.
(Ⅱ)连结DB,因为AB=AD,∠BAD=60°,所以为正三角形,因为F是AD的中点,所以BFAD.因为平面PAD平面ABCD,BF平面ABCD,平面PAD平面ABCD=AD,所以BF平面PAD.又因为BF平面BEF,所以平面BEF平面PAD.
40.【证明】:(Ⅰ)连结,因为是半径为的半圆,为直径,点为的中点,所以.
在中,.
在中,,为等腰三角形,
且点是底边的中点,故.
在中,,
所以为,且.
因为,,且,所以平面,
而平面,.
因为,,且,所以平面,
而平面,.
(Ⅱ)设平面与平面RQD的交线为.
由,,知.
而平面,∴平面,
而平面平面= ,
∴.
由(Ⅰ)知,平面,∴平面,
而平面,∴,,
∴是平面与平面所成二面角的平面角.
在中,,
,.
在中,由知,,
由余弦定理得,
由正弦定理得,,即,
.
故平面与平面所成二面角的正弦值为.
41.【解析】:以为原点, 分别为轴,线段的长为单位长, 建立空间直角坐标系如图, 则
(Ⅰ)设,则
可得
因为,所以
(Ⅱ)由已知条件可得
设 为平面的法向量则 即
因此可以取,由,可得,
所以直线与平面所成角的正弦值为.
42.【解析】方法一:如图所示,建立空间直角坐标系,
点A为坐标原点,设,依题意得,,,
(Ⅰ)易得,
于是
所以异面直线与所成角的余弦值为
(Ⅱ)已知,,
于是·=0,·=0.因此,,,又
所以平面.
(Ⅲ)设平面的法向量,则,
即不妨令=1,可得.由(Ⅱ)可知,
为平面的一个法向量.于是,
从而
所以二面角的正弦值为.
方法二:(Ⅰ)设AB=1,可得AD=2,AA1=4,CF=1.CE=
连接B1C,BC1,设B1C与BC1交于点M,易知A1D∥B1C,由,
可知EF∥BC1,故是异面直线EF与A1D所成的角,
易知BM=CM=,所以 ,
所以异面直线FE与A1D所成角的余弦值为
(Ⅱ)连接AC,设AC与DE交点N 因为,所以,从而,又由于,所以,故AC⊥DE,又因为CC1⊥DE且,所以DE⊥平面ACF,从而AF⊥DE.连接BF,同理可证B1C⊥平面ABF,从而AF⊥B1C,所以AF⊥A1D因为,所以AF⊥平面A1ED.
(Ⅲ)连接A1N,FN,由(Ⅱ)可知DE⊥平面ACF,又NF平面ACF, A1N平面ACF,所以DE⊥NF,,DE⊥A1N,故为二面角A1-ED-F的平面角
易知,所以,又所以,
在
连接A1C1,A1F 在
.
所以,所以二面角A1-DE-F正弦值为.
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