新編一輪優(yōu)化探究理數(shù)蘇教版練習:第八章 第六節(jié) 立體幾何中的向量方法 Word版含解析

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1、 一、填空題 1.已知向量m、n分別是直線l和平面α的方向向量和法向量,若cos〈m,n〉=-,則l與α所成的角為________. 解析:由于cos〈m,n〉=-,所以〈m,n〉=120°,所以直線l與α所成的角為30°. 答案:30° 2.若a=(1,λ,2),b=(2,-1,1),a與b的夾角為60°,則λ=________. 解析:由==cos 60°=,解得λ=-17或1. 答案:-17或1 3.點A(n,n-1,2n),B(1,-n,n),則||的最小值是______. 解析:||2= (1-n)2+(-2n+1)2+(-n)2=6(n-)2+,∴當n=時,|

2、|的最小值為. 答案: 4.如圖所示,PD垂直于正方形ABCD所在平面,AB=2,E為PB的中點,cos〈,〉=,若以DA,DC,DP所在直線分別為x,y,z軸建立空間直角坐標系,則點E的坐標為________. 解析:設PD=a(a>0),則A(2,0,0),B(2,2,0),P(0,0,a),E(1,1,), ∴=(0,0,a),=(-1,1,), 由cos〈,〉=,∴=a ·,∴a=2. ∴E的坐標為(1,1,1). 答案:(1,1,1) 5.直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ACB=90°,∠BAC=30°,BC=1,AA1=,M是CC1的中點,則異面直線AB1與A1M

3、所成的角為________. 解析:建立坐標系如圖所示, 易得M(0,0,),A1(0,,0), A(0,,),B1(1,0,0), ∴=(1,-,-), =(0,-,). ∴·=1×0+3-=0, ∴⊥. 即AB1⊥A1M,即AB1與1M所成的角為90°. 答案:90° 6.長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=AA1=2,AD=1,E為CC1的中點,則異面直線BC1與AE所成角的余弦值為________. 解析:建立坐標系如圖, 則A(1,0,0),E(0,2,1),B(1,2,0),C1(0,2,2), =(-1,0,2),=(-1,2,1), cos 〈

4、,〉= =. 答案: 7.正三棱錐的一個側面的面積與底面積之比為2∶3,則這個三棱錐的側面和底面所成二面角的度數(shù)為________. 解析:設一個側面面積為S1,底面面積為S,則這個側面在底面上射影的面積為,由題設得=,設側面與底面所成二面角為θ,則cos θ===, ∴θ=60°. 答案:60° 8.P是二面角α-AB-β棱上的一點,分別在α、β平面上引射線PM、PN,如果∠BPM=∠BPN=45°,∠MPN=60°,那么二面角α-AB-β的大小為________. 解析:不妨設PM=a,PN=b,如圖,作ME⊥AB于E,NF⊥AB于F, ∵∠EPM=∠FPN=45°,

5、∴PE=a,PF=b, ∴·=(-)·(-) =·-·-·+· =abcos 60°-a×bcos 45°-abcos 45°+a×b =--+=0, ∴⊥,∴二面角α-AB-β的大小為90°. 答案:90° 9.正四棱錐S-ABCD中,O為頂點在底面上的射影,P為側棱SD的中點,且SO=OD,則直線BC與平面PAC所成的角是________. 解析:如圖所示,以O為原點建立空間直角坐標系O-xyz. 設OD=SO=OA=OB=OC=a, 則A(a,0,0),B(0,a,0), C(-a,0,0),P(0,-,). 則=(2a,0,0),=(-a,-,),=(a,a,0

6、). 設平面PAC的法向量為n,可求得n=(0,1,1), 則cos 〈,n〉===. ∴〈,n〉=60°, ∴直線BC與平面PAC所成的角為90°-60°=30°. 答案:30° 二、解答題 10.如圖,已知正三棱柱ABC-A1B1C1各棱長都是4,E是BC的中點,動點F在側棱CC1上,且不與點C重合. (1)當CF=1時,求證:EF⊥A1C; (2)設二面角C-AF-E的大小為θ,求tan θ的最小值. 解析:(1)證明:建立如圖所示的空間直角坐標系,則由已知可得A(0,0,0),B(2,2,0),C(0,4,0),A1(0,0,4),E(,3,0),F(xiàn)(0,4,1).

7、 于是1=(0,-4,4), =(-,1,1). 則1·=(0,-4,4)·(-,1,1)=0-4+4=0, 故EF⊥A1C. (2)設CF=λ(0<λ≤4),平面AEF的一個法向量為m=(x,y,z),則由(1)得F(0,4,λ). =(,3,0),=(0,4,λ),于是由m⊥,m⊥可得即取m=(λ,-λ,4). 又由直三棱柱的性質可取側面AC1的一個法向量為n=(1,0,0),于是由θ為銳角可得cos θ==,sin θ=,所以tan θ==. 由0<λ≤4,得≥,即tan θ≥ =. 故當λ=4,即點F與點C1重合時,tan θ取得最小值. 11.如圖,矩形ABCD和

8、直角梯形BEFC所在平面互相垂直,∠BCF=90°,BE∥CF,CE⊥EF,AD=,EF=2. (1)求異面直線AD與EF所成的角; (2)當AB的長為何值時,二面角A-EF-C的大小為45°? 解析:如圖,以點C為坐標原點,分別以CB,CF和CD作為x軸,y軸和z軸建立空間直角坐標系C-xyz.設AB=a,BE=b,CF=c(b

9、 所以cos〈,〉===, 所以異面直線AD與EF所成的角為30°. (2)設n=(1,y,z)為平面AEF的法向量, 則n·=0,n·=0, 結合||2+||2=||2-||2, 解得n=(1,,). 又因為BA⊥平面BEFC,=(0,0,a), 所以|cos〈n,〉|===, 得到a=. 所以當AB為時,二面角A-EF-C的大小為45°. 12.如圖,棱柱ABCD-A1B1C1D1的所有棱長都等于2,∠ABC=60°,平面AA1C1C⊥平面ABCD,∠A1AC=60°. (1)證明:BD⊥AA1; (2)求二面角D-A1A-C的平面角的余弦值; (3)在直線CC1

10、上是否存在點P,使BP∥平面DA1C1?若存在,求出點P的位置;若不存在,說明理由. 解析:連結BD交AC于O,則BD⊥AC,連結A1O. 在△AA1O中,AA1=2,AO=1,∠A1AO=60°, ∴A1O2=AA+AO2-2AA1·AOcos 60°=3, ∴AO2+A1O2=A1A2, ∴A1O⊥AO, 由于平面AA1C1C⊥平面ABCD, ∴A1O⊥底面ABCD, ∴以OB、OC、OA1所在直線為x軸、y軸、z軸建立如圖所示空間直角坐標系,則A(0,-1,0),B(,0,0),C(0,1,0),D(-,0,0),A1(0,0,). (1)證明:由于=(-2,0,0),

11、=(0,1,),則·=0×(-2)+1×0+×0=0,∴BD⊥AA1. (2)由于OB⊥平面AA1C1C, ∴平面AA1C1C的法向量n1=(1,0,0), 設n2⊥平面AA1D,則設n2=(x,y,z), 得到取n2=(1,,-1), ∴cos 〈n1,n2〉==, ∴二面角D-A1A-C的平面角的余弦值是. (3)假設在直線CC1上存在點P,使BP∥平面DA1C1, 設=λ,P(x,y,z),則(x,y-1,z)=λ(0,1,), 得P(0,1+λ,λ),=(-,1+λ,λ). 設n3⊥平面DA1C1,則 設n3=(x3,y3,z3), 得到 不妨取n3=(1,0,-1). 又∵∥平面DA1C1, 則n3·=0, 即--λ=0,得λ=-1, 即點P在C1C的延長線上且使C1C=CP.

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