- 用向量方法解决线线、线面、面面的夹角问题
- 共2973题
如图,底面ABC为正三角形,EA⊥平面ABC,DC⊥平面ABC,EA=AB=2DC=2a,设F为EB的中点。
(1)求证:DF∥平面ABC;
(2)求直线AD与平面AEB所成角的正弦值。
正确答案
解:(1)如图,过F作FH∥EA交AB于H,连接HC,
∵EA⊥平面ABC,DC⊥平面ABC,
∴EA∥DC
又∵FH∥EA
∴FH∥DC
而F是EB的中点,
∴FH=AE=DC
∴四边形CDFH是平行四边形
∴DF∥HC
又HC平面ABC,DF
平面ABC,
∴DF∥平面ABC;
(2)△ABC为正三角形,H为AB中点,
∴CH⊥AB
∵EA⊥平面ABC,CH面ABC,
∴CH⊥EA
又∵EA∩AB =A,EA、AB平面EAB,
∴CH⊥平面EAB
∵DF∥CH,
∴DF⊥平面EAB
∴AF为DA在平面EAB上的射影,则∠DAF为直线AD与平面AEB所成角,
在Rt△AFD中,,
所以直线AD与平面AEB所成角的正弦值为。
如图,在四棱锥P-ABCD中,侧棱PA⊥底面ABCD,底面ABCD为矩形,AD=2AB=2PA,E为PD的上一点,且PE=2ED,F为PC的中点.
(Ⅰ)求证:BF∥平面AEC;
(Ⅱ)求二面角E-AC-D的余弦值.
正确答案
建立如图所示空间直角坐标系A-xyz,
设B(1,0,0),则D(0,2,0),P(0,0,1),C(1,2,0)E(0,,
),F(
,1,
)(2分)
(Ⅰ)设平面AEC的一个法向量为=(x,y,z),
∵=(0,
,
),
=(1,2,0),
∴由,
得,
令y=-1,得=(2,-1,4)(4分)
又=(-
,1,
),
∴•
=2×(-
)+(-1)×1+4×
=0,(5分)
⊥
,BF⊄平面AEC,
∴BF∥平面AEC.(7分)
(Ⅱ)由(Ⅰ)知平面AEC的一个法向量为=(2,-1,4),
又=(0,0,1)为平面ACD的法向量,(8分)
而cos<,
>=
=
,(11分)
故二面角E-AC-D的余弦值为(12分)
如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为平行四边形,∠ADC=45°,AD=AC=1,O为AC中点,PO⊥平面ABCD,PO=2,M为PD中点,
(Ⅰ)证明:PB∥平面ACM;
(Ⅱ)证明:AD⊥平面PAC;
(Ⅲ)求直线AM与平面ABCD所成角的正切值.
正确答案
(Ⅰ)证明:连接BD,MO,
在平行四边形ABCD中,因为O为AC的中点,所以O为BD的中点,
又M为PD的中点,所以PB∥MO。
因为平面ACM,
平面ACM,
所以PB∥平面ACM。
(Ⅱ)证明:因为,且AD=AC=1,
所以,即AD⊥AC,
又PO⊥平面ABCD,平面ABCD,
所以PO⊥AD,
而AC∩PO=O,
所以AD⊥平面PAC。
(Ⅲ)解:取DO的中点N,连接MN,AN,
因为M为PD的中点,
所以MN∥PO,且,
由PO⊥平面ABCD,得MN⊥平面ABCD,
所以∠MAN是直线AM与平面ABCD所成的角,
在Rt△DAO中,,
所以,
从而,
在Rt△ANM中,,
即直线AM与平面ABCD所成角的正切值为。
如图,A、B
为圆柱OO1的母线,BC是底面圆O的直径,D、E分别是A
、C
的中点,DE⊥面CB
(1)证明:DE∥面ABC;
(2)若B=BC,求C
与面B
C所成角的正弦值.
正确答案
(1)证明:连接EO,OA.
∵E,O分别是C、BC的中点,
∴EO∥B,又DA∥B
,且DA=EO=
B
,
∴四边形AOED是平行四边形,即DE∥OA,DE面ABC,
∴DE∥面ABC.
2)解:作过C的母线C,连接
,则
是上底面的直径,
连接O1,得
O1∥AO,
又AO⊥面CB,
所以,O1⊥面CB
,
连接CO1,则∠CO1为C
与面B
C所成角,
设B=BC=2,则
C=
=
,
O1=1,
在RT△O1C中,sin∠
CO1=
=
如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,底面为直角梯形,∠BAD=90°,BC∥AD,且PA=AB=BC=1,AD=2.
(Ⅰ)设M为PD的中点,求证:CM∥平面PAB;
(Ⅱ)求侧面PAB与侧面PCD所成二面角的平面角的正切值.
正确答案
解法一:(Ⅰ)证明:取PA的中点N,连接BN、NM,在△PAD中,MN∥AD,且MN=AD=1;
又BC∥AD,且BC=AD=1,所以MN
BC,即四边形BCMN为平行四边形,CM∥BN.
又CM⊄平面PAB,BN⊂平面PAB,故CM∥平面PAB.…(5分)
(Ⅱ)在平面ABCD中,AB与CD不平行,延长AB、CD交于一点,设为E,
连接PE,则PE为侧面PAB与侧面PCD所成二面角的棱,又由题设可知DA⊥侧面PAB,于是过A作AF⊥PE于F,
连接DF,由三垂线定理可知∠AFD为侧面PAB与侧面PCD所成二面角的平面角.…(8分)
在△EAD中,由BC∥AD,BC=AD,知B为AE为中点,∴AE=2,
在Rt△PAE中,PA=1,AE=2,∴PE=,AF=
.故tan∠AFD=
=
,
即所求侧面PAB与侧面PCD所成二面角的平面角的正切值为.…(12分)
解法二:以A为坐标原点,以AB、AD、AP所在直线为x、y、z轴建立如图所示的空间直角
坐标系,则B(1,0,0),C(1,1,0),D(0,2,0),P(0,0,1).…(2分)
(Ⅰ)由M为PD中点知M的坐标为(0,1,1),所以=(-1,0,1),
又平面PAB的法向量可取为=(0,1,0),∴
•
=0,即
⊥
.
又CM⊄平面PAB,所以CM∥平面PAB.…(6分)
(Ⅱ)设平面PCD的法向量为=(x1,y1,z1).
∵=(1,1,-1),
=(0,2,-1),∴
不妨取z1=2,则y1=1,x1=1.∴=(1,1,2).
又平面PAB的法向量为=(0,1,0).
设侧面PAB与侧面PCD所成二面角的平面角大小为θ,
则由,
的方向可知cosθ=
=
=
,
∵θ∈(0,π),∴sinθ=,tanθ=
.
即所求侧面PAB与侧面PCD所成二面角的平面角的正切值为.…(12分)
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