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1、
課時作業(yè)47 利用空間向量證明空間中的位置關(guān)系
1.如圖,四棱錐P-ABCD的底面為正方形,側(cè)棱PA⊥底面ABCD,且PA=AD=2,E,F(xiàn),H分別是線段PA,PD,AB的中點.求證:
(1)PB∥平面EFH;
(2)PD⊥平面AHF.
證明:建立如圖所示的空間直角坐標系A-xyz.
∴A(0,0,0),B(2,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2),E(0,0,1),F(xiàn)(0,1,1),H(1,0,0).
(1)∵E,H分別是線段AP,AB的中點,
∴PB∥EH.
∵PB?平面EFH,且EH?平面EFH
2、,
∴PB∥平面EFH.
(2)=(0,2,-2),=(1,0,0),=(0,1,1),
∴·=0×0+2×1+(-2)×1=0,
·=0×1+2×0+(-2)×0=0.
∴PD⊥AF,PD⊥AH.
又∵AF∩AH=A,∴PD⊥平面AHF.
2.如圖,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=3,BC=4,AB=5,AA1=4,點D是AB的中點.
(1)證明AC⊥BC1;
(2)證明AC1∥平面CDB1.
證明:因為直三棱柱ABC-A1B1C1的底面邊長分別為AC=3,BC=4,AB=5,所以△ABC為直角三角形,AC⊥BC.
所以AC,BC,C1C兩兩垂直.
如
3、圖,以C為坐標原點,直線CA,CB,CC1分別為x軸,y軸,z軸建立空間直角坐標系,
則C(0,0,0),A(3,0,0),B(0,4,0),C1(0,0,4),A1(3,0,4),B1(0,4,4),D.
(1)因為=(-3,0,0),=(0,-4,4),
所以·=0,所以AC⊥BC1.
(2)設CB1與C1B的交點為E,連接DE,
則E(0,2,2),=,=(-3,0,4),
所以=,DE∥AC1.
因為DE?平面CDB1,AC1?平面CDB1,
所以AC1∥平面CDB1.
3.如圖,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1C1C是邊長為4的正方形.平面ABC⊥平面AA
4、1C1C,AB=3,BC=5.
(1)求證:AA1⊥平面ABC;
(2)證明:在線段BC1上存在點D,使得AD⊥A1B,并求的值.
證明:(1)因為AA1C1C為正方形,
所以AA1⊥AC.
因為平面ABC⊥平面AA1C1C,AA1?平面AA1C1C,且AA1垂直于這兩個平面的交線AC,所以AA1⊥平面ABC.
(2)由(1)知AA1⊥AB,AA1⊥AC.
由題知AB=3,BC=5,AC=4,所以AB⊥AC.如圖,以A為原點建立空間直角坐標系A-xyz,
則B(0,3,0),A1(0,0,4),B1(0,3,4),C1(4,0,4).
設D(x,y,z)是直線BC1上
5、的一點,且=λ,
所以(x,y-3,z)=λ(4,-3,4),
解得x=4λ,y=3-3λ,z=4λ,
所以=(4λ,3-3λ,4λ).
由·=0,=(0,3,-4),
則9-25λ=0,解得λ=.
因為∈[0,1],所以在線段BC1上存在點D,使得AD⊥A1B,
此時,=λ=.
4.(2019·桂林模擬)如圖,棱柱ABCD-A1B1C1D1的所有棱長都等于2,∠ABC和∠A1AC均為60°,平面AA1C1C⊥平面ABCD.
(1)求證:BD⊥AA1;
(2)在直線CC1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,請說明理由.
解:(
6、1)證明:設BD與AC交于點O,
則BD⊥AC,連接A1O,
在△AA1O中,AA1=2,AO=1,∠A1AO=60°,
∴A1O2=AA+AO2-2AA1·AOcos60°=3,
∴AO2+A1O2=AA,∴A1O⊥AO.
由于平面AA1C1C⊥平面ABCD,
且平面AA1C1C∩平面ABCD=AC,A1O?平面AA1C1C,
∴A1O⊥平面ABCD.
以OB,OC,OA1所在的直線分別為x軸,y軸,z軸建立如圖所示的空間直角坐標系,
則A(0,-1,0),B(,0,0),C(0,1,0),D(-,0,0),
A1(0,0,),C1(0,2,).
由于=(-2,0,
7、0),=(0,1,),
·=0×(-2)+1×0+×0=0,
∴⊥,即BD⊥AA1.
(2)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,).
從而有P(0,1+λ,λ),=(-,1+λ,λ).
設平面DA1C1的法向量為n=(x1,y1,z1),
則
又=(0,2,0),=(,0,),
則取n=(1,0,-1),
因為BP∥平面DA1C1,則n⊥,
即n·=--λ=0,得λ=-1,
即點P在C1C的延長線上,且C1C=CP.
5.如圖1所示,正△ABC的邊長為4,CD是AB邊上的高,E,F(xiàn)分
8、別是AC和BC邊的中點,現(xiàn)將△ABC沿CD翻折成直二面角A-DC-B,如圖2所示.
(1)試判斷直線AB與平面DEF的位置關(guān)系,并說明理由;
(2)求二面角E-DF-C的余弦值;
(3)在線段BC上是否存在一點P,使AP⊥DE?證明你的結(jié)論.
解:(1)AB∥平面DEF,理由如下:
在△ABC中,由E,F(xiàn)分別是AC,BC中點,得EF∥AB.
又AB?平面DEF,EF?平面DEF,
∴AB∥平面DEF.
(2)以D為原點,分別以DB,DC,DA所在直線為x軸,y軸,z軸,建立如圖所示的空間直角坐標系,
則A(0,0,2),B(2,0,0),C(0,2,0),E(0,
9、,1),F(xiàn)(1,,0),
易知平面CDF的法向量為=(0,0,2),
設平面EDF的法向量為n=(x,y,z),
則即
取n=(3,-,3),
則cos〈,n〉==,
∴二面角E-DF-C的余弦值為.
(3)存在.證明如下:設P(x,y,0),
則·=y(tǒng)-2=0,
∴y=.又=(x-2,y,0),
=(-x,2-y,0),
∵∥,∴(x-2)(2-y)=-xy,
∴x+y=2.
把y=代入上式得x=,
∴P,∴=,
∴點P在線段BC上.
∴在線段BC上存在點P,使AP⊥DE.
6.如圖(1)所示,在Rt△ABC中,∠C=90°,BC=3,AC=6,D,E分別為
10、AC,AB上的點,且DE∥BC,DE=2,將△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,使A1C⊥CD,如圖(2)所示.
(1)求證:A1C⊥平面BCDE;
(2)若M是A1D的中點,求CM與平面A1BE所成角的大??;
(3)線段BC上是否存在一點P,使平面A1DP與平面A1BE垂直?說明理由.
解:(1)因為AC⊥BC,DE∥BC,所以DE⊥AC,
所以DE⊥A1D,DE⊥CD,A1D∩DC=D,
所以DE⊥平面A1DC,所以DE⊥A1C.
又因為A1C⊥CD,DE∩CD=D,
所以A1C⊥平面BCDE.
(2)以C為坐標原點,建立如圖所示的空間直角坐標系.
則A1(0
11、,0,2),D(0,2,0),M(0,1,),B(3,0,0),E(2,2,0).
設平面A1BE的法向量為n=(x,y,z),
則n·=0,n·=0.
又因為=(3,0,-2),=(-1,2,0),
所以
令y=1,則x=2,z=,所以n=(2,1,).
設CM與平面A1BE所成的角為θ.
因為=(0,1,),
所以sinθ=|cos〈n,〉|===.
所以CM與平面A1BE所成角的大小為.
(3)線段BC上不存在一點P,使平面A1DP與平面A1BE垂直.理由如下:
假設這樣的點P存在,設其坐標為(p,0,0),其中p∈[0,3].
設平面A1DP的法向量為m=(x1,y1,z1),
則·m=0,·m=0,
∵=(0,2,-2),=(p,-2,0),
∴
∴z1=y(tǒng)1,x1=y(tǒng)1.
設y1=6,則m=(3p,6,2),
∵平面A1DP與平面A1BE垂直,則m·n=0,
∴6p+6+6=0,p=-2,∵0≤p≤3,
∴線段BC上不存在一點P,使平面A1DP與平面A1BE垂直.