- 立体几何中的向量方法
- 共7934题
如图所示,在三棱锥S-ABC中,平面SAB⊥平面ABC,AC⊥AB,SA=SB=AB=2,AC=1
(1)求异面直线AB与SC所成的角的余弦值;
(2)在线段AB上求一点D,使CD与平面SAC成45°角.
正确答案
(1)取AB的中点O,连接OS,则有OS⊥AB
又∵平面SAB⊥平面ABC,
∴OS⊥平面ABC …(2分)
∴以AB为x轴,OS为z轴,过O作AC的平行线为y轴,如图,建立空间直角坐标系O-xyz.
∵A(-1,0,0),B(1,0,0),C(-1,1,0),
S(0,0,),
∴=(2,0,0),
=(-1,1,-
),
∴cos<,
>=
=
=-
…(5分)
又异面直线AB与SC所成角大于0,小于等于,故异面直线AB与SC所成的角的余弦值为
…(6分)
(2)依题意可设D(a,0,0),其中a∈[-1,1],
∴=(a+1,-1,0)
设平面SAC的法向量为=(x,y,z),
∵=(-1,0,-
),
=(0,1,0)
∴,取
=(
,0,-1)…(8分)
设CD与平面SAC所成的角为θ,则sinθ=|cos<,
>|=
=
∴(a+1)=
…(10分)
两边同平方,化简得a2+2a-1=0
∴a=-1-(舍去)或者a=
-1
所以满足条件的点D的坐标为(-1,0,0)…(12分)
在三棱锥P-ABC内,已知PA=PC=AC=,AB=BC=1,面PAC⊥面ABC,E是BC的中点.
(1)求直线PE与AC所成角的余弦值;
(2)求直线PB与平面ABC所成的角的正弦值;
(3)求点C到平面PAB的距离.
正确答案
(1)分别取AB,AC的中点F,H,连接PH,HF,HE,EF
由于E、F分别是BC、AB的中点,故EF是△ABC的中位线,则有EF∥AC,
故∠PEF是异面直线PE与AC所成的角或补角
在△PEF中,PE=PF=,EF=
故cos∠PEF=
(2)由于PA=PC,H是AC的中点,
有PH⊥AC
又由面PAC⊥面ABC
面PAC∩面ABC=AC
有PH⊥面ABC
故∠PBH是直线PB与平面ABC所成的角
在△PBH中,PH=,PH=
∴tan∠PBH==
故sin∠PBH=
(3)∵VP-ABC=VC-PAB=S△ABC•PH=
•
×1×1×
=
又由三角形PAB的面积S△PAB=
∴点C到平面PAB的距离h==
已知E,F分别是正方体ABCD-A1B1C1D1的棱BC和CD的中点,则A1D与EF所成角的大小为( ),A1F与平面B1EB所成角的余弦为( )。
正确答案
60°;
如图,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中, P是侧棱CC1上的一点,CP=m。
(1) 试确定m,使得直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为;
(2) 在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q在平面APD1上的射影垂直于AP。并证明你的结论。
正确答案
解:(1)连AC,设AC与BD相交于点O,AP与平面BDD1B1相交于点G,
连结OG,因为 PC∥平面,平面BDD1B1∩平面APC=OG,
故OG∥PC,所以,OG=PC=
,
又AO⊥BD,AO⊥BB1,
所以AO⊥平面,
故∠AGO是AP与平面所成的角。
在Rt△AOG中,tan∠AGO=,
即m=,
所以当m=时,直线AP与平面
所成的角的正切值为
。
(2)可以推测,点Q应当是A1C1的中点O1,
因为 D1O1⊥A1C1,且 D1O1⊥A1A ,
所以 D1O1⊥平面ACC1A1,
又AP平面ACC1A1,
故 D1O1⊥AP,
那么根据三垂线定理知,D1O1在平面APD1的射影与AP垂直。
如图,在侧棱锥垂直底面的四棱锥ABCD-A1B1C1D1中,AD∥BC,AD⊥AB,AB=。AD=2,BC=4,AA1=2,E是DD1的中点,F是平面B1C1E与直线AA1的交点。
(1)证明:(i)EF∥A1D1;
(ii)BA1⊥平面B1C1EF;
(2)求BC1与平面B1C1EF所成的角的正弦值。
正确答案
解:(1)(i)因为,
平面ADD1A1,
所以平面ADD1A1,
又因为平面平面ADD1A1=
,
所以
所以。
(ii)∵,
所以,
又因为,
所以,
在矩形中,F是AA1的中点,即
即,
故
所以平面
。
(2) 设与
交点为H,连结
由(1)知B1C1∥EF,所以是
与平面
所成的角
在矩形中,
,
,得
,
在直角中,
,
,
得,所以BC与平面
所成角的正弦值是
。
如图1,E、F分别是矩形ABCD的边AB、CD的中点,G是EF上的一点。将△GAB、△GCB分别沿AB、CD翻折成△G1AB、△G2CD,并连结G1G2,使得平面G1AB⊥平面ABCD,G1G2∥AD,且G1G2<AD,连结BG2,如图2,
(Ⅰ)证明平面G1AB⊥平面G1ADG2;
(Ⅱ)当AB=12,BC=25,EG=8时,求直线BG2和平面G1ADG2所成的角。
正确答案
(Ⅰ)证明:因为平面G1AB⊥平面ABCD,
平面G1AB∩平面ABCD=AB,
AD⊥AB,AD平面ABCD,
所以AD⊥平面G1AB,
又AD平面G1ADG2,
所以平面G1AB⊥平面G1ADG2。
(Ⅱ)解:过点B作BH⊥AG1于点H,连结G2H,
由(Ⅰ)的结论可知,BH⊥平面G1ADG2,
所以∠BG1H是BG2和平面G1ADG2所成的角,
因为平面G1AB⊥平面ABCD,平面G1AB∩平面ABCD=AB,
G1E=AB,G1E平面G1AB,
所以G1E⊥平面ABCD,
故G1E⊥EF,
因为G1G2<AD,AD=EF,
所以可在EF上取一点O,使EO=G1G2,
又因为G1G2∥AD∥EO,
所以四边形G1EOG2是矩形,
由题设AB=12,BC=25,EG=8,则GF=17,
所以G2O=G1E=8,G2F=17,
OF=,
因为AD⊥平面G1AB,G1G2∥AD,
所以G1G2⊥平面G1AB,
从而G1G2⊥G1B,
故BG=BE2+EG
+G1G
=62+82+102=200,
BG2=,
又AG1=,
由,
故,
即直线BG2与平面G1ADG2所成的角是。
(文科)在棱长为1的正方体ABCD-A′B′C′D′中,AC′为对角线,M、N分别为BB′,B′C′中点,P为线段MN中点.
(1)求DP和平面ABCD所成的角的正切;
(2)求四面体P-AC′D′的体积.
正确答案
(1)过P作PH⊥BC于足H,连DH,
∵面BC′⊥面AC,则PH⊥面ABCD,
∴DP和面ABCD所成角即为∠HDP.
在正方形BCC′B′,M,N分别为BB′,B′C′中点,P为MN中点,
又B′C′=1,则PH=,BH=
,CH=
,
DH==
=
在Rt△PHD中,tan∠HDP==
(6分)
(2)连BC′和B′C交于Q,因为BCC′B′为正方形,则PQ⊥BC′则PQ=B′C=
,而S△AC′D′=
•1•
=
∴VP-AC′D′=•
•
=
(体积单位)(12分)
如图,△BCD与△MCD都是边长为2的正三角形,平面MCD⊥平面BCD,AB⊥平面BCD,AB=2。
(I)求直线AM与平面BCD所成角的大小;
(Ⅱ)求平面ACM与平面BCD所成二面角的正弦值。
正确答案
解:(Ⅰ)取CD中点O,连OB,OM,则OB⊥CD,OM ⊥CD
又平面MCD⊥平面BCD,则MO⊥平面BCD
所以MO∥AB
A、B、O、M共面
延长AM、BO相交于E,则∠AEB就是AM与平面BCD所成的角
所以,即
∴直线AM与平面BCD所成角的大小为45°;
(Ⅱ)CE是平面ACM与平面BCD的交线。由(I)知,O是BE的中点,则BCED是菱形
作BF⊥EC于F,连AF,则AF⊥EC
∠AFB就是二面角A-EC-B的平面角,设为θ
因为∠BCE=120°
所以∠BCF=60°
所以,所求二面角的正弦值是。
如图,已知斜三棱柱的侧面
与底面ABC垂直,∠ABC=90°,BC=2,
AC=2,
。
(1)求侧棱与底面ABC所成的角;
(2)求侧面与底面ABC所成的角;
(3)求顶点C到平面的距离。
正确答案
解:(1)取AC的中点O,连结,则
,
∵面与面ABC垂直,
∴⊥平面ABC,
∴即为所求,且易知
=45°,
∴侧棱与底面ABC所成的角是45°。
(2)取AB的中点D,
∴AB⊥面A1OD,
∴即为所求,
又,
∴,
即,
所以,侧面与底面ABC所成的角是60°。
(3)设顶点C到平面的距离为d,
由题意,知,
又,
∴,
∴,
所以,顶点C到平面的距离为
。
如图,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,P是侧棱CC1上的一点,CP=m,
(Ⅰ)试确定m,使直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为3;
(Ⅱ)在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q在平面APD1上的射影垂直于AP,并证明你的结论。
正确答案
解:(Ⅰ)连AC,设AC与BD相交于点O,
AP与平面相交于点G,连结OG,
因为PC∥平面,平面
∩平面APC=OG,
故OG∥PC,
所以,OG=,
又AO⊥BD,AO⊥BB1,所以AO⊥平面,
故∠AGO是AP与平面所成的角,
在Rt△AOG中,tanAGO=,即m=
,
所以,当m=时,
直线AP与平面所成的角的正切值为3
。
(Ⅱ)可以推测,点Q应当是A1C1的中点O1,
因为D1O1⊥A1C1,且D1O1⊥A1A,
所以D1O1⊥平面ACC1A1,
又AP平面ACC1A1,
故D1O1⊥AP,
那么根据三垂线定理知,D1O1在平面APD1的射影与AP垂直。
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