空间向量和立体几何练习题及答案(DOC 29页).doc
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- 空间向量和立体几何练习题及答案DOC 29页 空间 向量 立体几何 练习题 答案 DOC 29
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1、1如图,在四棱锥PABCD中,底面ABCD为正方形,平面PAD平面ABCD,点M在线段PB上,PD平面MAC,PA=PD=,AB=4(1)求证:M为PB的中点;(2)求二面角BPDA的大小;(3)求直线MC与平面BDP所成角的正弦值【分析】(1)设ACBD=O,则O为BD的中点,连接OM,利用线面平行的性质证明OMPD,再由平行线截线段成比例可得M为PB的中点;(2)取AD中点G,可得PGAD,再由面面垂直的性质可得PG平面ABCD,则PGAD,连接OG,则PGOG,再证明OGAD以G为坐标原点,分别以GD、GO、GP所在直线为x、y、z轴距离空间直角坐标系,求出平面PBD与平面PAD的一个法
2、向量,由两法向量所成角的大小可得二面角BPDA的大小;(3)求出的坐标,由与平面PBD的法向量所成角的余弦值的绝对值可得直线MC与平面BDP所成角的正弦值【解答】(1)证明:如图,设ACBD=O,ABCD为正方形,O为BD的中点,连接OM,PD平面MAC,PD平面PBD,平面PBD平面AMC=OM,PDOM,则,即M为PB的中点;(2)解:取AD中点G,PA=PD,PGAD,平面PAD平面ABCD,且平面PAD平面ABCD=AD,PG平面ABCD,则PGAD,连接OG,则PGOG,由G是AD的中点,O是AC的中点,可得OGDC,则OGAD以G为坐标原点,分别以GD、GO、GP所在直线为x、y、
3、z轴距离空间直角坐标系,由PA=PD=,AB=4,得D(2,0,0),A(2,0,0),P(0,0,),C(2,4,0),B(2,4,0),M(1,2,),设平面PBD的一个法向量为,则由,得,取z=,得取平面PAD的一个法向量为cos=二面角BPDA的大小为60;(3)解:,平面BDP的一个法向量为直线MC与平面BDP所成角的正弦值为|cos|=|=|=【点评】本题考查线面角与面面角的求法,训练了利用空间向量求空间角,属中档题2如图,在三棱锥PABC中,PA底面ABC,BAC=90点D,E,N分别为棱PA,PC,BC的中点,M是线段AD的中点,PA=AC=4,AB=2()求证:MN平面BDE
4、;()求二面角CEMN的正弦值;()已知点H在棱PA上,且直线NH与直线BE所成角的余弦值为,求线段AH的长【分析】()取AB中点F,连接MF、NF,由已知可证MF平面BDE,NF平面BDE得到平面MFN平面BDE,则MN平面BDE;()由PA底面ABC,BAC=90可以A为原点,分别以AB、AC、AP所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系求出平面MEN与平面CME的一个法向量,由两法向量所成角的余弦值得二面角CEMN的余弦值,进一步求得正弦值;()设AH=t,则H(0,0,t),求出的坐标,结合直线NH与直线BE所成角的余弦值为列式求得线段AH的长【解答】()证明:取AB中点F,连接MF、
5、NF,M为AD中点,MFBD,BD平面BDE,MF平面BDE,MF平面BDEN为BC中点,NFAC,又D、E分别为AP、PC的中点,DEAC,则NFDEDE平面BDE,NF平面BDE,NF平面BDE又MFNF=F平面MFN平面BDE,则MN平面BDE;()解:PA底面ABC,BAC=90以A为原点,分别以AB、AC、AP所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系PA=AC=4,AB=2,A(0,0,0),B(2,0,0),C(0,4,0),M(0,0,1),N(1,2,0),E(0,2,2),则,设平面MEN的一个法向量为,由,得,取z=2,得由图可得平面CME的一个法向量为cos=二面角CEM
6、N的余弦值为,则正弦值为;()解:设AH=t,则H(0,0,t),直线NH与直线BE所成角的余弦值为,|cos|=|=|=解得:t=或t=当H与P重合时直线NH与直线BE所成角的余弦值为,此时线段AH的长为或【点评】本题考查直线与平面平行的判定,考查了利用空间向量求解空间角,考查计算能力,是中档题3如图,几何体是圆柱的一部分,它是由矩形ABCD(及其内部)以AB边所在直线为旋转轴旋转120得到的,G是的中点()设P是上的一点,且APBE,求CBP的大小; ()当AB=3,AD=2时,求二面角EAGC的大小【分析】()由已知利用线面垂直的判定可得BE平面ABP,得到BEBP,结合EBC=120求
7、得CBP=30; ()法一、取的中点H,连接EH,GH,CH,可得四边形BEGH为菱形,取AG中点M,连接EM,CM,EC,得到EMAG,CMAG,说明EMC为所求二面角的平面角求解三角形得二面角EAGC的大小法二、以B为坐标原点,分别以BE,BP,BA所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系求出A,E,G,C的坐标,进一步求出平面AEG与平面ACG的一个法向量,由两法向量所成角的余弦值可得二面角EAGC的大小【解答】解:()APBE,ABBE,且AB,AP平面ABP,ABAP=A,BE平面ABP,又BP平面ABP,BEBP,又EBC=120,因此CBP=30; ()解法一、取的中点H,连接E
8、H,GH,CH,EBC=120,四边形BECH为菱形,AE=GE=AC=GC=取AG中点M,连接EM,CM,EC,则EMAG,CMAG,EMC为所求二面角的平面角又AM=1,EM=CM=在BEC中,由于EBC=120,由余弦定理得:EC2=22+22222cos120=12,因此EMC为等边三角形,故所求的角为60解法二、以B为坐标原点,分别以BE,BP,BA所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系由题意得:A(0,0,3),E(2,0,0),G(1,3),C(1,0),故,设为平面AEG的一个法向量,由,得,取z1=2,得;设为平面ACG的一个法向量,由,可得,取z2=2,得cos=二面角E
9、AGC的大小为60【点评】本题考查空间角的求法,考查空间想象能力和思维能力,训练了线面角的求法及利用空间向量求二面角的大小,是中档题4如图,在以A,B,C,D,E,F为顶点的五面体中,面ABEF为正方形,AF=2FD,AFD=90,且二面角DAFE与二面角CBEF都是60()证明平面ABEF平面EFDC;()求二面角EBCA的余弦值【分析】()证明AF平面EFDC,利用平面与平面垂直的判定定理证明平面ABEF平面EFDC;()证明四边形EFDC为等腰梯形,以E为原点,建立如图所示的坐标系,求出平面BEC、平面ABC的法向量,代入向量夹角公式可得二面角EBCA的余弦值【解答】()证明:ABEF为
10、正方形,AFEFAFD=90,AFDF,DFEF=F,AF平面EFDC,AF平面ABEF,平面ABEF平面EFDC;()解:由AFDF,AFEF,可得DFE为二面角DAFE的平面角;由ABEF为正方形,AF平面EFDC,BEEF,BE平面EFDC即有CEBE,可得CEF为二面角CBEF的平面角可得DFE=CEF=60ABEF,AB平面EFDC,EF平面EFDC,AB平面EFDC,平面EFDC平面ABCD=CD,AB平面ABCD,ABCD,CDEF,四边形EFDC为等腰梯形以E为原点,建立如图所示的坐标系,设FD=a,则E(0,0,0),B(0,2a,0),C(,0,a),A(2a,2a,0),
11、=(0,2a,0),=(,2a,a),=(2a,0,0)设平面BEC的法向量为=(x1,y1,z1),则,则,取=(,0,1)设平面ABC的法向量为=(x2,y2,z2),则,则,取=(0,4)设二面角EBCA的大小为,则cos=,则二面角EBCA的余弦值为【点评】本题考查平面与平面垂直的证明,考查用空间向量求平面间的夹角,建立空间坐标系将二面角问题转化为向量夹角问题是解答的关键5如图,菱形ABCD的对角线AC与BD交于点O,AB=5,AC=6,点E,F分别在AD,CD上,AE=CF=,EF交于BD于点H,将DEF沿EF折到DEF的位置,OD=()证明:DH平面ABCD;()求二面角BDAC的
12、正弦值【分析】()由底面ABCD为菱形,可得AD=CD,结合AE=CF可得EFAC,再由ABCD是菱形,得ACBD,进一步得到EFBD,由EFDH,可得EFDH,然后求解直角三角形得DHOH,再由线面垂直的判定得DH平面ABCD;()以H为坐标原点,建立如图所示空间直角坐标系,由已知求得所用点的坐标,得到的坐标,分别求出平面ABD与平面ADC的一个法向量,设二面角二面角BDAC的平面角为,求出|cos|则二面角BDAC的正弦值可求【解答】()证明:ABCD是菱形,AD=DC,又AE=CF=,则EFAC,又由ABCD是菱形,得ACBD,则EFBD,EFDH,则EFDH,AC=6,AO=3,又AB
13、=5,AOOB,OB=4,OH=1,则DH=DH=3,|OD|2=|OH|2+|DH|2,则DHOH,又OHEF=H,DH平面ABCD;()解:以H为坐标原点,建立如图所示空间直角坐标系,AB=5,AC=6,B(5,0,0),C(1,3,0),D(0,0,3),A(1,3,0),设平面ABD的一个法向量为,由,得,取x=3,得y=4,z=5同理可求得平面ADC的一个法向量,设二面角二面角BDAC的平面角为,则|cos|=二面角BDAC的正弦值为sin=【点评】本题考查线面垂直的判定,考查了二面角的平面角的求法,训练了利用平面的法向量求解二面角问题,体现了数学转化思想方法,是中档题6在三棱柱AB
14、CA1B1C1中,CA=CB,侧面ABB1A1是边长为2的正方形,点E,F分别在线段AA1、A1B1上,且AE=,A1F=,CEEF()证明:平面ABB1A1平面ABC;()若CACB,求直线AC1与平面CEF所成角的正弦值【分析】(I)取AB的中点D,连结CD,DF,DE计算DE,EF,DF,利用勾股定理的逆定理得出DEEF,由三线合一得CDAB,故而CD平面ABB1A1,从而平面ABB1A1平面ABC;(II)以C为原点建立空间直角坐标系,求出和平面CEF的法向量,则直线AC1与平面CEF所成角的正弦值等于|cos|【解答】证明:(I)取AB的中点D,连结CD,DF,DEAC=BC,D是A
15、B的中点,CDAB侧面ABB1A1是边长为2的正方形,AE=,A1F=A1E=,EF=,DE=,DF=,EF2+DE2=DF2,DEEF,又CEEF,CEDE=E,CE平面CDE,DE平面CDE,EF平面CDE,又CD平面CDE,CDEF,又CDAB,AB平面ABB1A1,EF平面ABB1A1,AB,EF为相交直线,CD平面ABB1A1,又CDABC,平面ABB1A1平面ABC(II)平面ABB1A1平面ABC,三棱柱ABCA1B1C1是直三棱柱,CC1平面ABCCACB,AB=2,AC=BC=以C为原点,以CA,CB,CC1为坐标轴建立空间直角坐标系,如图所示:则A(,0,0),C(0,0,
16、0),C1(0,0,2),E(,0,),F(,2)=(,0,2),=(,0,),=(,2)设平面CEF的法向量为=(x,y,z),则,令z=4,得=(,9,4)=10,|=6,|=sin=直线AC1与平面CEF所成角的正弦值为【点评】本题考查了面面垂直的判定,线面角的计算,空间向量的应用,属于中档题7如图,在四棱锥中PABCD,PA平面ABCD,ADBC,ADCD,且AD=CD=2,BC=4,PA=2(1)求证:ABPC;(2)在线段PD上,是否存在一点M,使得二面角MACD的大小为45,如果存在,求BM与平面MAC所成角的正弦值,如果不存在,请说明理由【分析】(1)利用直角梯形的性质求出AB
17、,AC的长,根据勾股定理的逆定理得出ABAC,由PA平面ABCD得出ABPA,故AB平面PAC,于是ABPC;(2)假设存在点M,做出二面角的平面角,根据勾股定理求出M到平面ABCD的距离从而确定M的位置,利用棱锥的体积求出B到平面MAC的距离h,根据勾股定理计算BM,则即为所求角的正弦值【解答】解:(1)证明:四边形ABCD是直角梯形,AD=CD=2,BC=4,AC=4,AB=4,ABC是等腰直角三角形,即ABAC,PA平面ABCD,AB平面ABCD,PAAB,AB平面PAC,又PC平面PAC,ABPC(2)假设存在符合条件的点M,过点M作MNAD于N,则MNPA,MN平面ABCD,MNAC
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