突破立体几何中的3大经典问题.docx
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- 突破 立体几何 中的 经典 问题
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1、突破立体几何中的3大经典问题例1在如图所示的几何体中,四边形CDEF为正方形,四边形ABCD为等腰梯形,ABCD,AB2BC,ABC60,ACFB.(1)求证:AC平面FBC;(2)求BC与平面EAC所成角的正弦值;(3)线段ED上是否存在点Q,使平面EAC平面QBC?证明你的结论解(1)证明:因为AB2BC,ABC60,在ABC中,由余弦定理可得ACBC,因为AB2AC2BC2,所以ACBC.又因为ACFB,FBBCB,所以AC平面FBC.(2)因为AC平面FBC,FC平面FBC,所以ACFC.因为CDFC,所以FC平面ABCD,所以CA,CF,CB所在直线两两互相垂直,以C为坐标原点,CA
2、,CB,CF所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz.在等腰梯形ABCD中,可得CBCD.设BC1,则C(0,0,0),A(,0,0),B(0,1,0),D,E.所以, (,0,0),(0,1,0)设平面EAC的法向量为n(x,y,z),则即取z1,则n(0,2,1)设BC与平面EAC所成的角为,则sin |cos,n|,所以BC与平面EAC所成角的正弦值为.(3)假设线段ED上存在点Q,使平面EAC平面QBC.设Q(0t1),所以.设平面QBC的法向量为m(a,b,c),则即取c1,得m.要使平面EAC平面QBC,只需mn0,即t002110,此方程无解所以线段ED
3、上不存在点Q,使平面EAC平面QBC.对于线面关系中的存在性问题,首先假设存在,然后在该假设条件下,利用线面关系的相关定理、性质进行推理论证,寻找假设满足的条件,若满足,则肯定假设,若得出矛盾的结论,则否定假设题组训练1如图所示,四棱锥SABCD的底面是正方形,每条侧棱的长都是底面边长的倍,P为侧棱SD上的点(1)求证:ACSD;(2)若SD平面PAC,则侧棱SC上是否存在一点E,使得BE平面PAC?若存在,求SEEC的值;若不存在,试说明理由解:(1)证明:如图所示,连接BD,设AC交BD于点O,则ACBD.连接SO,则由题意知SO平面ABCD.以O为坐标原点, 分别为x轴,y轴,z轴正方向
4、,建立空间直角坐标系Oxyz.设底面边长为a,则高SOa.于是O(0,0,0),S,D,B,C,所以,则0.故OCSD,从而ACSD.(2)假设棱SC上存在一点E,使BE平面PAC.由已知条件得是平面PAC的一个法向量,且, ,.设t (0t1),则t.由0,解得t.即当SEEC21时,.而BE平面PAC,故BE平面PAC.例2如图,底面ABCD是边长为3的正方形,平面ADEF平面ABCD,AFDE,ADDE,AF2,DE3.(1)求证:平面ACE平面BED;(2)求直线CA与平面BEF所成角的正弦值;(3)在线段AF上是否存在点M,使得二面角MBED的大小为60?若存在,求出的值;若不存在,
5、说明理由解(1)证明:因为平面ADEF平面ABCD,平面ADEF平面ABCDAD,DEAD,DE平面ADEF,所以DE平面ABCD.因为AC平面ABCD,所以DEAC.又因为四边形ABCD是正方形,所以ACBD.因为DEBDD,DE平面BED,BD平面BED,所以AC平面BED.又因为AC平面ACE,所以平面ACE平面BED.(2)因为DA,DC,DE两两垂直,所以以D为坐标原点,射线DA,DC,DE分别为x轴,y轴,z轴的正半轴,建立空间直角坐标系Dxyz,如图所示则A(3,0,0),F(3,0,2),E(0,0,3),B(3,3,0),C(0,3,0),(3,3,0),(3,3,3),(3
6、,0,)设平面BEF的法向量为n(x1,y1,z1),则即取x1,得n(,2,3)所以cos,n.所以直线CA与平面BEF所成角的正弦值为.(3)假设存在点M在线段AF上满足条件,设M(3,0,t),0t2,则(0,3,t),(3,3,3)设平面MBE的法向量为m(x2,y2,z2),则即令y2t,得m(3t,t,3)易知CA(3,3,0)是平面BED的一个法向量,所以|cosm,|,整理得2t26t150,解得t或t(舍去),故在线段AF上存在点M,使得二面角MBED的大小为60,此时.存在性问题的解题策略借助于空间直角坐标系,把几何对象上动态点的坐标用参数(变量)表示,将几何对象坐标化,这
7、样根据所要满足的题设要求得到相应的方程或方程组若方程或方程组在题设范围内有解,则通过参数的值反过来确定几何对象的位置;若方程或方程组在题设范围内无解,则表示满足题设要求的几何对象不存在题组训练2如图所示,在长方体ABCDA1B1C1D1中,ADAA11,AB2.(1)求证:当点E在棱AB上移动时,D1EA1D;(2)在棱AB上是否存在点E,使二面角D1ECD的平面角为30?若存在,求出AE的长;若不存在,请说明理由解:以D为坐标原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则D(0,0,0),C(0,2,0),A1(1,0,1),D1(0,0,1)设E(
8、1,y0,0)(0y02)(1)证明:因为(1,y0,1),(1,0,1),则(1,y0,1)(1,0,1)0,所以,即D1EA1D.(2)假设在棱AB上存在点E,使二面角D1ECD的平面角为30.因为(1,2y0,0),(0,2,1),设平面D1EC的一个法向量为n1(x,y,z),则即取y1,则n1(2y0,1,2)是平面D1EC的一个法向量易知平面ECD的一个法向量为n2(0,0,1),要使二面角D1ECD的平面角为30,则cos 30|cosn1,n2|,解得y02或y02(不合题意,舍去)所以当AE2时,二面角D1ECD的平面角为30.例1(2019洛阳第一次联考)如图1,在直角梯形
9、ABCD中,ADBC,ABBC,BDDC,点E是BC边的中点,将ABD沿BD折起,使平面ABD平面BCD,连接AE,AC,DE,得到如图2所示的几何体(1)求证:AB平面ADC;(2)若AD1,二面角CABD的平面角的正切值为,求二面角BADE的余弦值解(1)证明:因为平面ABD平面BCD,平面ABD平面BCDBD,BDDC,DC平面BCD,所以DC平面ABD.因为AB平面ABD,所以DCAB.又因为折叠前后均有ADAB,DCADD,所以AB平面ADC.(2)由(1)知AB平面ADC,所以二面角CABD的平面角为CAD.又DC平面ABD,AD平面ABD,所以DCAD.依题意tanCAD.因为A
10、D1,所以CD.设ABx(x0),则BD.依题意ABDDCB,所以,即,解得x,故AB,BD,BC3.以D为坐标原点,射线DB,DC分别为x轴,y轴的正半轴,建立如图所示的空间直角坐标系Dxyz,则D(0,0,0),B(,0,0),C(0,0),E,A,所以,.由(1)知平面BAD的一个法向量n(0,1,0)设平面ADE的法向量为m(x,y,z),由得令x,得y,z,所以m(,)为平面ADE的一个法向量所以cosn,m.由图可知二面角BADE的平面角为锐角,所以二面角BADE的余弦值为.解题技法翻折问题的2个解题策略确定翻折前后变与不变的关系画好翻折前后的平面图形与立体图形,分清翻折前后图形的
11、位置和数量关系的变与不变一般地,位于“折痕”同侧的点、线、面之间的位置和数量关系不变,而位于“折痕”两侧的点、线、面之间的位置关系会发生变化;对于不变的关系应在平面图形中处理,而对于变化的关系则要在立体图形中解决确定翻折后关键点的位置所谓的关键点,是指翻折过程中运动变化的点因为这些点的位置移动,会带动与其相关的其他的点、线、面的关系变化,以及其他点、线、面之间位置关系与数量关系的变化只有分析清楚关键点的准确位置,才能以此为参照点,确定其他点、线、面的位置,进而进行有关的证明与计算题组训练1(2019泉州模拟)如图1,在四边形ABCD中,ADBC,BAD90,AB2,BC4,AD6,E是AD上的
12、点,AEAD,P 为BE的中点,将ABE沿BE折起到A1BE的位置,使得A1C4,如图2.(1)求证:平面A1CP平面A1BE;(2)求二面角BA1PD的余弦值解:(1)证明:如图3,连接AP,PC.在四边形ABCD中,ADBC,BAD90,AB2,BC4,AD6,E是AD上的点,AEAD,P为BE的中点,BE4,ABE30,EBC60,BP2,PC2,BP2PC2BC2,BPPC.A1PAP2,A1C4,A1P2PC2A1C2,PCA1P.BPA1PP,PC平面A1BE.PC平面A1CP,平面A1CP平面A1BE.(2)如图4,以P为坐标原点,PB所在直线为x轴,PC所在直线为y轴,过P作平
13、面BCDE的垂线为z轴,建立空间直角坐标系,则A1(1,0,),P(0,0,0),D(4,2,0),(1,0,), (4,2,0),设平面A1PD的法向量为m(x,y,z),则即取x,得m(,2,1)易知平面A1PB的一个法向量n(0,1,0),则cos m,n.由图可知二面角BA1PD是钝角,二面角BA1PD的余弦值为.例2在直三棱柱ABCA1B1C1中,底面为直角三角形,ACB90,AC6,BCCC1,P是BC1上一动点,如图所示,则CPPA1的最小值为_解析PA1在平面A1BC1内,PC在平面BCC1内,将其铺平后转化为平面上的问题铺平平面A1BC1,平面BCC1,如图所示,计算得A1B
14、AB12,BC12.又A1C16,故A1BC1是A1C1B90的直角三角形设P是BC1上任一点,CPPA1A1C,即当A1,P,C三点共线时,CPPA1有最小值在A1C1C中,由余弦定理得A1C5,故(CPPA1)min5.答案5“展开问题”是“折叠问题”的逆向思维、逆过程,“展开问题”是指将立体图形的表面(或部分表面)按一定的要求铺成平面图形,再利用平面图形的性质解决立体问题的一类题型解决展开问题的关键是:确定需要展开立体图形中的哪几个面(有时需要分类讨论),以及利用什么平面定理来解决对应的立体图形问题提醒求立体图形中两条(或多条)线段长度和的最小值,只需将这些线段统一到一个平面上要注意立体
15、图形展开前后线段与角度哪些会改变,哪些不会变题组训练2.如图所示,在棱长为1的正方体ABCDA1B1C1D1的面对角线A1B上存在一点P,使得APD1P取得最小值,则此最小值为()A2B.C2D.解析:选D将A1AB与A1BD1放在同一平面内,如图所示连接AD1,则AD1为APD1P的最小值因为AA1A1D11,AA1D19045135,所以由余弦定理得AD1.典例(1)已知三棱锥OABC的顶点A,B,C都在半径为2的球面上,O是球心,AOB120,当AOC与BOC的面积之和最大时,三棱锥OABC的体积为()A.B.C.D.(2)(2017全国卷)如图,圆形纸片的圆心为O,半径为5 cm,该纸
16、片上的等边三角形ABC的中心为O.D,E,F为圆O上的点,DBC,ECA,FAB分别是以BC,CA,AB为底边的等腰三角形沿虚线剪开后,分别以BC,CA,AB为折痕折起DBC,ECA,FAB,使得D,E,F重合,得到三棱锥当ABC的边长变化时,所得三棱锥体积(单位:cm3)的最大值为_解析(1)设球O的半径为R,因为SAOCSBOCR2(sinAOCsinBOC),所以当AOCBOC90时,SAOCSBOC取得最大值,此时OAOC,OBOC,又OBOAO,OA平面AOB,OB平面AOB,所以OC平面AOB,由题意知R2,所以V三棱锥OABCV三棱锥COABOCOAOBsinAOBR3sinAO
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