高考數(shù)學(xué)第二輪復(fù)習(xí) 立體幾何教學(xué)案
2011年高考第二輪專題復(fù)習(xí)(教學(xué)案):立體幾何
第1課時(shí) 直線、平面、空間幾何體
考綱指要:
立體幾何在高考中占據(jù)重要的地位,考察的重點(diǎn)及難點(diǎn)是直線與直線、直線與平面、平面與平面平行的性質(zhì)和判定,而查空間線面的位置關(guān)系問(wèn)題,又常以空間幾何體為依托,因而要熟練掌握多面體與旋轉(zhuǎn)體的概念、性質(zhì)以及它們的求積公式。
考點(diǎn)掃描:
1.空間兩條直線的位置關(guān)系:(1)相交直線;(2)平行直線;(3)異面直線。
2.直線和平面的位置關(guān)系:(1)直線在平面內(nèi);(2)直線和平面相交;(3)直線和平面平行。
3.兩個(gè)平面的位置關(guān)系有兩種:(1)兩平面相交;(2)兩平面平行。
4.多面體的面積和體積公式,旋轉(zhuǎn)體的面積和體積公式。
考題先知:
E
F
D
A
B
C
P
例1.在平面幾何中,我們學(xué)習(xí)了這樣一個(gè)命題:過(guò)三角形的內(nèi)心作一直線,將三角形分成的兩部分的周長(zhǎng)比等于其面積比。請(qǐng)你類比寫出在立體幾何中,有關(guān)四面體的相似性質(zhì),并證之。
解:通過(guò)類比,得命題:過(guò)四面體的內(nèi)切球的球心作一截面,將四面體分成的兩部分的表面積比等于其體積比。
證明:如圖,設(shè)四面體P-ABC的內(nèi)切球的球心為O,過(guò)O作截面DEF交三條棱于點(diǎn)E、D、F,記內(nèi)切圓半徑為r,則r也表示點(diǎn)O到各面的距離,利用體積的“割補(bǔ)法”知:
=
=,從而。
例2.(1)當(dāng)你手握直角三角板,其斜邊保持不動(dòng),將其直角頂點(diǎn)提起一點(diǎn),則直角在平面內(nèi)的正投影是銳角、直角 還是鈍角?
(2)根據(jù)第(1)題,你能猜想某個(gè)角在一個(gè)平面內(nèi)的正投影一定大于這個(gè)角嗎?如果正確,請(qǐng)證明;如果錯(cuò)誤,則利用下列三角形舉出反例:△ABC中,,
,以∠BAC為例。
解:(1)記Rt△ABC,∠BAC=900,記直角頂點(diǎn)A在平面上的正投影為A1,,且AA1=,則因?yàn)椋浴螧A1C為鈍角,即直角在平面內(nèi)的正投影是鈍角;
(2)原猜想錯(cuò)誤。對(duì)于△ABC, ,記直角頂點(diǎn)A在平面上的正投影為A1,設(shè)AA1=,則,令∠BAC=∠BA1C,則由余弦定理得:
=,解之得:,即當(dāng)點(diǎn)A離平面的距離是時(shí),∠BAC在一個(gè)平面內(nèi)的正投影∠BA1C等于它本身;
若取,則,從而,
,可知∠B A1C∠BAC,即∠BAC在一個(gè)平面內(nèi)的正投影∠BA1C小于它本身。
復(fù)習(xí)智略:
P
A
C
D
圖1
1
B
圖2
1
A
B
C
D
D1
C1
B1
A1
主視圖
俯視圖
左視圖
例3.一個(gè)幾何體的三視圖如右圖所示,其中主視圖與左視圖是腰長(zhǎng)為6的等腰直角三角形,俯視圖是正方形。
(Ⅰ)請(qǐng)畫出該幾何體的直觀圖,并求出它的體積;
(Ⅱ)用多少個(gè)這樣的幾何體可以拼成一個(gè)棱長(zhǎng)為6的正方體ABCD—A1B1C1D1? 如何組拼?試證明你的結(jié)論;
(Ⅲ)在(Ⅱ)的情形下,設(shè)正方體ABCD—A1B1C1D1的棱CC1的中點(diǎn)為E, 求平面AB1E與平面ABC所成二面角的余弦值.
分析:本題的構(gòu)圖方式是通過(guò)三視圖來(lái)給出,并且更為重視對(duì)空間幾何體的認(rèn)識(shí).
解:(Ⅰ)該幾何體的直觀圖如圖1所示,它是有一條側(cè)棱垂直于底面的四棱錐. 其中底面ABCD是邊長(zhǎng)為6的正方形,高PD=6,故所求體積是
(Ⅱ)依題意,正方體的體積是原四棱錐體積的3倍,故用3個(gè)這樣的四棱錐可以拼成一個(gè)棱長(zhǎng)為6的正方體,即由四棱錐D1-ABCD,D1-BB1C1C,D1-BB1A1A組成。其拼法如圖2所示. (Ⅲ)因△AB1E的邊長(zhǎng)AB1=,B1E=,AE=9,所以,而,所以平面AB1E與平面ABC所成二面角的余弦值=。
點(diǎn)評(píng):對(duì)于立體幾何問(wèn)題,新課標(biāo)更注重將其視為認(rèn)識(shí)空間的一種方式方法,因此對(duì)于立體幾何問(wèn)題要重點(diǎn)關(guān)注其構(gòu)圖方式, 因此,我們要特別重視空間重點(diǎn)線面的構(gòu)成方式,可以是三視圖還原位直觀圖,也可以是折疊問(wèn)題,當(dāng)然也可以是直接兩個(gè)面的構(gòu)成.
檢測(cè)評(píng)估:
1. 一個(gè)水平放置的四邊形的斜二測(cè)直觀圖是一個(gè)底角為450,,腰和上底的長(zhǎng)均為1的等腰
梯形,那么原四邊形的面積是( )
A. B. C. D.
2.異面直線a,b所成的角為,空間中有一定點(diǎn)O,過(guò)點(diǎn)O有3條直線與a,b所成角都是60,則的取值可能是( )
A.30 B.50 C.60 D.90
3.下面的集合中三個(gè)元素不可能分別是長(zhǎng)方體(一只“盒子”) 的三條外對(duì)角線的長(zhǎng)度(一條
外對(duì)角線就是這盒子的一個(gè)矩形面的一條對(duì)角線) 是( )
A、. B、. C、. D、.
4.在四面體ABCD中,截面AEF經(jīng)過(guò)四面體的內(nèi)切球的球心O,且與BC、DC、分別交于E、F,如果截面將四面體分成體積相等的兩部分,設(shè)四棱錐A-BEFD與A-EFC的表面積分別為S1、S2,則必有( )
A.S1S2 B.S1S2 C.S1=S2 D.無(wú)法判斷
5.在一個(gè)棱長(zhǎng)為4的正方體內(nèi),你認(rèn)為能放入幾個(gè)直徑為1的球( )
A.64 B.65 C.66 D.67
6.命題A:底面為正三角形,且頂點(diǎn)在底面的正投影為底面中心的三棱錐是正三棱錐。則命題A的等價(jià)命題B可以是:底面為正三角形,且 的三棱錐是正三棱錐。
7.水平桌面兒上放置著一個(gè)容積為V的密閉長(zhǎng)方體玻璃容器ABCD—A1B1C1D1,其中裝有V的水。
(1)把容器一端慢慢提起,使容器的一條棱AD保持在桌面上,這個(gè)過(guò)程中水的形狀始終是柱體;(2)在(1)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,水面始終是矩形;(3)把容器提離桌面,隨意轉(zhuǎn)動(dòng),水面始終過(guò)長(zhǎng)方體內(nèi)的一個(gè)定點(diǎn);(4)在(3)中水與容器的接觸面積始終不變。
以上說(shuō)法正確的是_____.
8. 將銳角A為60°,邊長(zhǎng)a的菱形ABCD沿對(duì)角線BD折成二面角,已知,則AC、BD之間的距離的最大值和最小值 .
9.如圖,三棱柱ABC—A1B1C1中,若E、F分別為AB、AC 的中點(diǎn),平面EB1C1將三棱柱分成體積為V1、V2的兩部分,那么V1∶V2= ____ _。
10.如圖所示,球面上有四個(gè)點(diǎn)P、A、B、C,如果PA,PB,PC兩兩互相垂直,且PA=PB=PC=a,則這個(gè)球的表面積是 。
—ABCD的側(cè)面與底面,
(1)請(qǐng)畫出四棱錐S—ABCD的示意圖,使SA⊥平面ABCD,并指出各側(cè)棱長(zhǎng);
(2)在(1)的條件下,過(guò)A且垂直于SC的平面分別交于SB、SC、SD于E、F、G.
(3)求(1)(2)的條件下,求二面角A—SC—B的大小.
圖1
12.如圖1,在多面體ABCD—A1B1C1D1中,上、下底面平行且均為矩形,相對(duì)的側(cè)面與同一底面所成的二面角大小相等,側(cè)棱延長(zhǎng)后相交于E,F(xiàn)兩點(diǎn),上、下底面矩形的長(zhǎng)、寬分別為c,d與a,b,且a>c,b>d,兩底面間的距離為h。
(Ⅰ)求側(cè)面ABB1A1與底面ABCD所成二面角的大??;
(Ⅱ)證明:EF∥面ABCD;
(Ⅲ)在估測(cè)該多面體的體積時(shí),經(jīng)常運(yùn)用近似公式V估=S中截面·hV=(S上底面+4S中截面+S下底面),試判斷V估與V的大小關(guān)系,并加以證明。
(注:與兩個(gè)底面平行,且到兩個(gè)底面距離相等的截面稱為該多面體的中截面)
點(diǎn)撥與全解:
1.解:由題意得原四邊形是一個(gè)上底為1,下底為,高為2的直角梯形,所以其面積等于,故選A。
2.解:過(guò)點(diǎn)O分別作∥a、∥b,則過(guò)點(diǎn)O有三條直線與a,b所成角都為60,等價(jià)于過(guò)點(diǎn)O有三條直線與所成角都為60,其中一條正是角的平分線。從而可得選項(xiàng)為
C。
3.B 提示:令a,b,c(a≤b≤c) 表示長(zhǎng)方體三條邊的長(zhǎng)度.p,q,r(p≤q≤r) 表示三個(gè)對(duì)角線的長(zhǎng)度. 由勾股定理, 得,,.
則 <.經(jīng)驗(yàn)證, 只有不滿足這個(gè)關(guān)系.
4.解:參考例1可知:選C。
5.解:第一層放16個(gè)球;第二層在空檔中放9個(gè)球,使每個(gè)球均與底層的16個(gè)球中的4個(gè)球相切;第三層再放16個(gè)球;第四層又放9個(gè)球;第五層再放16個(gè)球,這樣共放了66個(gè)球,且五層球的高度為,故選C。
6.答:側(cè)棱相等(或側(cè)棱與底面所成角相等……)。這是因?yàn)橐姑}B與命題A等價(jià),則只需保證頂點(diǎn)在底面上的正投影S是底面正三角形的外心即可,因此,據(jù)射影定理,得側(cè)棱長(zhǎng)相等。
7.解:因運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水始終是矩形,且水柱部分始終與空柱部分分別與中心O成中心對(duì)稱。所以(1)(2)(3)(4)均正確?!?
8.解:當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),.提示:,.沿BD折起,∠AOC是二面角的平面角,BD=AB=AD=a,故OA=OC=a,d=OA.因?yàn)?,所以?dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),.
9.解:設(shè)三棱柱的高為h,上下底的面積為S,體積為V,則V=V1+V2=Sh。
∵E、F分別為AB、AC的中點(diǎn),
∴S△AEF=S,
V1=h(S+S+)=Sh
V2=Sh-V1=Sh,
∴V1∶V2=7∶5。
10.解:如圖,設(shè)過(guò)A、B、C三點(diǎn)的球的截面圓半徑為r,圓心為O′,球心到該圓面的距離為d。
在三棱錐P—ABC中,∵PA,PB,PC兩兩互相垂直,且PA=PB=PC=a,
∴AB=BC=CA=a,且P在△ABC內(nèi)的射影即是△ABC的中心O′。
由正弦定理,得 =2r,∴r=a。
又根據(jù)球的截面的性質(zhì),有OO′⊥平面ABC,而PO′⊥平面ABC,
∴P、O、O′共線,球的半徑R=。又PO′===a,
∴OO′=R - a=d=,(R-a)2=R2 – (a)2,解得R=a,
∴S球=4πR2=3πa2。
11.(1)畫出示意圖,其中,SA=
(2)∵SC⊥平面AEFG,A又AE平面AEFG,∴AE⊥SC,∵SA⊥平面BD,又BC平面BD,∴SA⊥⊥BC,SA∩AB=A, ∴BC⊥平面SBC,∴AF在平面SBC上射影為EF.
由三垂線定理得∠AFE為二面角A—SC—B的平面角,易得AF=
∵AE⊥平面SBC,又SB平面SBC, ∴AE⊥SB.
∴AE=A—SC—B的大小為arcsin
12.(Ⅰ)解:過(guò)B1C1作底面ABCD的垂直平面,交底面于PQ,過(guò)B1作B1G⊥PQ,垂足為G。
如圖所示:∵平面ABCD∥平面A1B1C1D1,∠A1B1C1=90°,
∴AB⊥PQ,AB⊥B1P.
∴∠B1PGC1作C1H⊥PQ,垂足為H.由于相對(duì)側(cè)面與底面所成二面角的大小相等,故四邊形B1PQC1為等腰梯形。
∴PG=(b-d),又B1G=h,∴tanB1PG=(b>d),
∴∠B1PG=arctan,即所求二面角的大小為arctan.
(Ⅱ)證明:∵AB,CD是矩形ABCD的一組對(duì)邊,有AB∥CD,
又CD是面ABCD與面CDEF的交線,
∴AB∥面CDEF。
∵EF是面ABFE與面CDEF的交線,
∴AB∥EF。
∵AB是平面ABCD內(nèi)的一條直線,EF在平面ABCD外,
∴EF∥面ABCD。
(Ⅲ)V估<V。
證明:∵a>c,b>d,
∴V-V估=
=[2cd+2ab+2(a+c)(b+d)-3(a+c)(b+d)]
=(a-c)(b-d)>0。
∴V估<V。
第2課時(shí) 空間向量
考綱指要:
在立體幾何中,以多面體和旋轉(zhuǎn)體為載體,空間向量為運(yùn)算技巧,解決有關(guān)線面位置關(guān)系的論證,角與距離的探求。
考點(diǎn)掃描:
1.兩條直線所成的角和距離的概念及等角定理;(對(duì)于異面直線的距離,只要求會(huì)計(jì)算已給出公垂線時(shí)的距離)。
2.點(diǎn)、直線到平面的距離,直線和平面所成的角;
3.平行平面間的距離,會(huì)求二面角及其平面角;
z
P’
P
Q
y
x
D1
C1
B1
A1
D
C
B
A
考題先知:
例1.如圖,設(shè)直四棱柱所有的棱長(zhǎng)都為2,,動(dòng)點(diǎn)P在四棱柱內(nèi)部,且到頂點(diǎn)A的距離與它到底面ABCD的距離的平方差為2,求動(dòng)點(diǎn)P的軌跡(曲面)的面積。
解 由題意可知,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),AB、AQ(Q為CD的中點(diǎn))、所在的直線分別為軸、軸、軸,建立空間直角坐標(biāo)系。設(shè)P的坐標(biāo)為,P在平面ABCD內(nèi)的射影為,由題意可知 即 即點(diǎn)P到直線的距離為,
故點(diǎn)P在以為軸,底面半徑為,高為2的圓柱面上。又,所以P的軌跡為圓柱面的, 因此,所求的面積為 .
點(diǎn)評(píng):以空間圖形為背景的軌跡問(wèn)題,有機(jī)的將解析幾何與立體幾何結(jié)合在一起,能培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力與運(yùn)算能力。
例2.已知直三棱柱中,,點(diǎn)N是的中點(diǎn),求二面角的平面角的大小。
z
y
x
B
N
A
E
F
解法1 利用平面的法向量求二面角。以為原點(diǎn),以、、為、、軸建立空間直角坐標(biāo)系(如圖1)。依題意,得.于是.
設(shè)為平面的法向量,則由,得,
,可取。同理可得平面的一個(gè)法向量>
由,知二面角的平面角的大小為。
評(píng)注: 若二面角的兩個(gè)平面的法向量分別為,則由可求得二面角的大小。
解法2 利用異面直線所成角求二面角。
建立空間直角坐標(biāo)系同上,過(guò)A、N分別作的垂線AE、NF,垂足為E、F,則二面角的平面角大小為.
設(shè)
則,
由,有,可得,故,
由
評(píng)注 對(duì)二面角,分別過(guò)半平面內(nèi)點(diǎn)A、B向公共棱作線段AE、BF,則由,可求得二面角的大小。
P
A
B
C
D
G
復(fù)習(xí)智略:
例3. 在邊長(zhǎng)為a的正方形ABCD所在平面外取一點(diǎn)P,使PA⊥平面ABCD,且PA=AB,在AC的延長(zhǎng)線上取一點(diǎn)G。
(1)若CG=AC,求異面直線PG與CD所成角的大?。?
(2)若CG=AC,求點(diǎn)C到平面PBG的距離;
(3)當(dāng)點(diǎn)G在AC的延長(zhǎng)線上運(yùn)動(dòng)時(shí)(不含端點(diǎn)C),求二面角P-BG-C的取值范圍。
P
A
B
C
D
G
E
H
F
分析:本題如利用“幾何法”,則通過(guò)“平移變換”將異面直線角化歸為三角形的內(nèi)角,由解三角形的方法求之,凡“點(diǎn)面距離”可利用等積法求之,至于二面角,則通過(guò)“作-證-算”三步曲求得;本題如利用“向量法”,則建立適當(dāng)?shù)目臻g直角坐標(biāo)系,寫出各點(diǎn)坐標(biāo),再根據(jù)公式而求之。
方法一:(1)過(guò)點(diǎn)G作GE∥CD交AD的延長(zhǎng)線于點(diǎn)E,連PE,則∠PGE是異面直線PG與CD所成的角,,則由條件得GE=2a,PG=3a,
cos ∠PGE=,所以異面直線PG與CD所成角等于;
(2)設(shè)h,則利用等積法知,在△PBG中,PB=,PG=3a,BG=,,得,又在△CBG中,,從而由得;
(3)作CF⊥AC交PG于F,作FH⊥BG交BG于H,連CH,因?yàn)镻A⊥平面ABCD,所以PA⊥AC,所以PA∥CG,得CG⊥平面ABCD,由三垂線定理得∠FHC是二面角P-BG-C的平面角,設(shè),則由△CGF∽△AGP得,
在△CBG中,得
所以,從而
,所以二面角P-BG-C的取值范圍是。
P
A
B
C
D
G
z
x
y
方法二:建立如圖所示的直角坐標(biāo)系,
則A(0,0,O、0),B(a,0,0),
C(a,a,0),D(0,a,0),P(0,0,a)。
(1) 由條件得G(2 a ,2 a ,0),
,
所以,
所以異面直線PG與CD所成角等于;
(2)設(shè)平面PBG的法向量為因,
所以由得,即又,
所以點(diǎn)C到平面PBG的距離為;
(3) 由條件設(shè)G(t,t,0), 其中,平面PBG的法向量為
因,,所以由得,
即而平面CBG的法向量,
所以,因?yàn)椋裕?
易知二面角P-BG-C的平面角是銳角,所以二面角P-BG-C的平面角等于,所以二面角PP-BG-C的取值范圍是。
點(diǎn)評(píng):本題主要考查異面直線所成角的空間想象能力,利用體積法求點(diǎn)面距離的運(yùn)算能力,二面角的估算能力,第(3)問(wèn)有機(jī)的將函數(shù)的值域與立體幾何結(jié)合,較好地考查學(xué)生綜合分析與解決問(wèn)題的能力.
檢測(cè)評(píng)估:
1.已知向量=(2,4,x),=(2,y,2),若||=6,⊥,則x+y的值是( )
A. -3或或-1 C. -
2.直三棱住A1B1C1—ABC,∠BCA=,點(diǎn)D1、F1 分別是A1B1、A1C1的中點(diǎn),BC=CA=CC1,則BD1與AF1所成角的余弦值是( )
(A ) (B) (C) (D)
3. 正方形ABCD邊長(zhǎng)為2,E、F分別是AB和CD的中點(diǎn),將正方形沿EF折成直二面角(如圖),M為矩形AEFD內(nèi)一點(diǎn),如果∠MBE=∠MBC,MB和平面BCF所成角的正切值為,那么點(diǎn)M到直線EF的距離為( )
A B 1 C D
4.已知四個(gè)命題,其中正確的命題是 ( )
①若直線l //平面,則直線l 的垂線必平行平面;
②若直線l與平面相交,則有且只有一個(gè)平面,經(jīng)過(guò)l 與平面垂直;
③若一個(gè)三棱錐每?jī)蓚€(gè)相鄰側(cè)面所成的角都相等,則這個(gè)三棱錐是正三棱錐;
④若四棱柱的任意兩條對(duì)角線都相交且互相平分,則這個(gè)四棱柱為平行六面體.
A.① B.② C.③ D.④
5. 平面上的斜線AB交于點(diǎn)B,過(guò)定點(diǎn)A的動(dòng)直線AC與AB垂直,且交于點(diǎn)C,則動(dòng)點(diǎn)C的軌跡是( ) A
A.
6.有以下命題:①如果向量與任何向量不能構(gòu)成空間向量的一組基底,那么的關(guān)系是不共線;②為空間四點(diǎn),且向量不構(gòu)成空間的一個(gè)基底,那么點(diǎn)一定共面;③已知向量是空間的一個(gè)基底,則向量,也是空間的一個(gè)基底。其中正確的命題是 。
7.平行四邊形的一個(gè)頂點(diǎn)A在平面內(nèi),其余頂點(diǎn)在的同側(cè),已知其中有兩個(gè)頂點(diǎn)到的距離分別為1和2 ,那么剩下的一個(gè)頂點(diǎn)到平面的距離可能是:①1; ②2; ③3; ④4; 以上結(jié)論正確的為_(kāi)_____________。(寫出所有正確結(jié)論的編號(hào))
8.已知正方體ABCD-A1B1C1D1的棱長(zhǎng)為2,點(diǎn)E為棱AB的中點(diǎn)。求:D1E與平面BC1D所成角的大小(用余弦值表示)
9.A
C
B
P
E
F
圖
如圖,已知邊長(zhǎng)為的正三角形中,、分別為和的中點(diǎn),面,且,設(shè)平面過(guò)且與平行。 求與平面間的距離?
10.設(shè)異面直線、成角,它們的公垂線段為且,線段AB的長(zhǎng)為4,兩端點(diǎn)A、B分別在、上移動(dòng),則AB中點(diǎn)P的軌跡是 。
A
B
C
D
G
P
11.已知在四面體ABCD中,= a,= b,= c,G∈平面ABC.則G為△ABC的重心的充分必要條件是(a+b+c);
12.在三棱錐S—ABC中,△ABC是邊長(zhǎng)為4的正三角形,平面SAC⊥平面ABC,SA=SC=2,M、N分別為AB、SB的中點(diǎn).
(Ⅰ)證明:AC⊥SB;
(Ⅱ)求二面角N—CM—B的大??;
(Ⅲ)求點(diǎn)B到平面CMN的距離.
點(diǎn)撥與全解:
1.解:由題知或;故選A
2.連結(jié)D1F1,則D1F1,
∵BC ∴D1F1
設(shè)點(diǎn)E為BC中點(diǎn),∴D1F1BE,∴BD1∥EF1,∴∠EF1A或其補(bǔ)角即為BD1與AF1所成的角。由余弦定理可求得。故選A。
3. 解: 過(guò)點(diǎn)M作MM′⊥EF,則MM′⊥平面BCF
∵∠MBE=∠MBC ∴BM′為∠EBC為角平分線,
∴∠EBM′=45°,BM′=,從而MN=,故選A。
4.可證它們它們都是平行四邊形,從而命題④正確。故選D。
5.利用手中的實(shí)物可判斷A正確。
6.對(duì)于①“如果向量與任何向量不能構(gòu)成空間向量的一組基底,那么的關(guān)系一定共線”;所以①錯(cuò)誤。②③正確。
A
B
C
D
A1
7.如圖,B、D到平面的距離為1、2,則D、B的中點(diǎn)到平面的距離為,所以C到平面的距離為3;B、C到平面的距離為1、2,D到平面的距離為,則,即,所以D到平面的距離為1;C、D到平面的距離為1、2,同理可得B到平面的距離為1;所以選①③。
8.解析:建立坐標(biāo)系如圖,
A1
B1
C1
D1
A
B
C
D
E
x
y
z
則、,,
,,,,,
,,。
不難證明為平面BC1D的法向量,
∵ 。
∴ D1E與平面BC1D所成的角的余弦值為。
9.解:設(shè)、、的單位向量分別為、、,選取{,,}作為空間向量的一組基底。易知,
===,
設(shè)是平面的一個(gè)法向量,則,
,即,
直線與平面間的距離=
10,解 如圖1,AB的中點(diǎn)P過(guò)EF的中點(diǎn)O且與、平行的平面內(nèi),于是空間的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題。
取EF的中點(diǎn)O,過(guò)O作
則 、確定平面,
y
x
O
P
圖2
1
y
x
O
P
y
x
O
P
y
x
O
P
y
x
O
P
且A在內(nèi)的射影必在上,B在內(nèi)的射影必在上,AB的中點(diǎn)P必在H ,如圖1所示。
又
易得 ,
現(xiàn)求線段在移動(dòng)時(shí),其中點(diǎn)P的軌跡。以的平分線為軸,O為原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系,如圖2所示。不妨設(shè)。在中, ①。設(shè)的中點(diǎn)P的坐標(biāo)為,則,即,代入①消去、,得,于是得到的是橢圓②夾在內(nèi)的弧,在另外的情形中,同樣得到橢圓②的其余弧,故點(diǎn)P的軌跡是EF的中垂面上以O(shè)為中心的橢圓。
11.證明:必要性:連AG交BC于D,則D平分BC,且G分所成的比為2∶1,從而
,
,
故.
充分性:設(shè)D分所成的比為p,G分所成的比為q.
則,
,
于是,
=
因(a+b+c),故,
解得q =2,p = 1,于是G為△ABC的重心.
12。解:(Ⅰ)取AC中點(diǎn)O,連結(jié)OS、OB.
∵SA=SC,AB=BC,
∴AC⊥SO且AC⊥BO.
∵平面SAC⊥平面ABC,平面SAC∩平面 ABC=AC
∴SO⊥面ABC,∴SO⊥BO.
如圖所示建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz.
則A(2,0,0),B(0,2,0),C(-2,0,0),
S(0,0,2),M(1,,0),N(0,,).
∴=(-4,0,0),=(0,2,-2),
∵·=(-4,0,0)·(0,2,-2)=0,
∴AC⊥SB.
(Ⅱ)由(Ⅰ)得=(3,,0),=(-1,0,).設(shè)n=(x,y,z)為平面CMN的一個(gè)法向量,
·n=3x+y=0,
則 取z=1,則x=,y=-,
·n=-x+z=0,
∴n=(,-,1),
又=(0,0,2)為平面ABC的一個(gè)法向量,
∴cos<n,>==.
∴二面角N-CM-B的大小為arccos.
(Ⅲ)由(Ⅰ)(Ⅱ)得=(-1,,0),n=(,-,1)為平面CMN的一個(gè)法向量,
∴點(diǎn)B到平面CMN的距離d==.
8.如圖,在底面是菱形的四棱錐P—ABCD中,∠ABC=600,PA=AC=a,PB=PD=,點(diǎn)E在PD上,且PE:ED=2:1.
(1)證明PA⊥平面ABCD;
(2)求以AC為棱,EAC與DAC為面的二面角的大小;
(3)在棱PC上是否存在一點(diǎn)F,使BF//平面AEC?證明你的結(jié)論.
8.證明: (Ⅰ) 因?yàn)榈酌鍭BCD是菱形,∠ABC=60°,
所以AB=AD=AC=a, 在△PAB中,
由PA2+AB2=2a2=PB2 知PA⊥AB.
同理,PA⊥AD,所以PA⊥平面ABCD.
(Ⅱ)解 作EG//PA交AD于G,
由PA⊥平面ABCD.
知EG⊥平面ABCD.作GH⊥AC于H,連結(jié)EH,
則EH⊥AC,∠EHG即為二面角的平面角.
又PE : ED=2 : 1,所以
從而
(Ⅲ)解法一 以A為坐標(biāo)原點(diǎn),直線AD、AP分別為y軸、z軸,過(guò)A點(diǎn)垂直平面PAD的直線為x軸,建立空間直角坐標(biāo)系如圖.由題設(shè)條件,相關(guān)各點(diǎn)的坐標(biāo)分別為
所以
設(shè)點(diǎn)F是棱PC上的點(diǎn),則
令 得
解得 即 時(shí),
亦即,F(xiàn)是PC的中點(diǎn)時(shí),、、共面.
又 BF平面AEC,所以當(dāng)F是棱PC的中點(diǎn)時(shí),BF//平面AEC.
解法二 當(dāng)F是棱PC的中點(diǎn)時(shí),BF//平面AEC,證明如下,
證法一 取PE的中點(diǎn)M,連結(jié)FM,則FM//CE. ①
由 知E是MD的中點(diǎn).
連結(jié)BM、BD,設(shè)BDAC=O,則O為BD的中點(diǎn).
所以 BM//OE. ②
由①、②知,平面BFM//平面AEC.
又 BF平面BFM,所以BF//平面AEC.
證法二
因?yàn)?
所以 、、共面.
又 BF平面ABC,從而B(niǎo)F//平面AEC.