- 用向量方法解决线线、线面、面面的夹角问题
- 共2973题
如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,PA=AB=BC=2,∠DAC=∠ABC=90°,,
(Ⅰ)证明:AD⊥PC;
(Ⅱ)求PD与平面PBC所成角的大小。
正确答案
证明:(Ⅰ)由PA⊥平面ABCD知AC为PC在平面ABCD的射影,
由∠DAC=90°知,AD⊥DC,
故AD⊥PC(三垂线定理)。
解:(Ⅱ)建立如图所示空间直角坐标系A-xyz,
由已知可得,
设平面PBC的法向量为,
由,
则,
则PD与平面PBC所成的角为。
如图,已知四棱锥P-ABCD的底面为等腰梯形,AB∥CD,AC⊥BD,垂足为H,PH 是四棱锥的高,E为AD中点。
(1)证明:PE⊥BC;
(2)若∠APB=∠ADB=60°,求直线PA与平面PEH所成角的正弦值。
正确答案
解:以H为原点,HA,HB,HP分别为x,y,z轴,线段HA的长为单位长,建立空间直角坐标系如图,则A(1,0,0),B(0,1,0)
(1)设C(m,0,0),P(0,0,n)(m<0,n>0)
则,
可得
因为
所以PE⊥BC。
(2)由已知条件可得
故,
,
,
设n=(x,y,z)为平面PEH的法向量
则,即
因此可以取n=(1,,0)
由可得
所以直线PA与平面PEH所成角的正弦值为。
用平行于棱锥底面的平面去截棱锥,则截面与底面之间的部分叫棱台。
如图,在四棱台ABCD-A1B1C1D1中,下底ABCD是边长为2的正方形,上底A1B1C1D1是边长为1的正方形,侧棱DD1⊥平面ABCD,DD1=2,
(Ⅰ)求证:B1B∥平面D1AC;
(Ⅱ)求平面B1AD1与平面CAD1夹角的余弦值。
正确答案
解:以D为原点,以DA、DC、DD1所在直线
分别为x轴,y轴,z轴
建立空间直角坐标系D-xyz,
如图,则有A(2,0,0),
B(2,2,0),C(0,2,0),
A1(1,0,2),B1(1,1,2),
C1(0,1,2),D1(0,0,2),
(Ⅰ)证明:设,连接D1、E,
则有,
所以,
∵,
∴平面
;
(Ⅱ),
设为平面AB1D1的法向量,
,
于是令x=1,则y=-1,z=1,,
同理可以求得平面的一个法向量
,
,
∴二面角的余弦值为
。
附加题(必做题)
如图,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=3,BC=4,AB=5,AA1=4.
(1)设=λ
,异面直线AC1与CD所成角的余弦值为
,求λ的值;
(2)若点D是AB的中点,求二面角D-CB1-B的余弦值.
正确答案
(1)以CA,CB,CC1分别为x,y,z轴建立如图所示空间直角坐标,
因为AC=3,BC=4,AA1=4,所以A(3,0,0),B(0,4,0),C(0,0,0),C1=(0,0,4),
所以=(-3,0,4),因为
=λ
,
所以点D(-3λ+3,4λ,0),所以=(-3λ+3,4λ,0),
因为异面直线AC1与CD所成角的余弦值为,
所以 |cos<,
>|=
=
,解得λ=
.…(4分)
(2)由(1)得B1(0,4,4),因为 D是AB的中点,所以D(,2,0),
所以=(
,2,0),
=(0,4,4),平面CBB1C1的法向量
=(1,0,0),
设平面DB1C的一个法向量=(x0,y0,z0),
则,
的夹角(或其补角)的大小就是二面角D-CB1-B的大小,
由得
令x0=4,则y0=-3,z0=3,
所以=(4,-3,3),
∴cos<,
>=
=
=
.
所以二面角D-B1C-B的余弦值为. …(10分)
如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1.
(1)求A1C与DB所成角的大小;
(2)求二面角D-A1B-C的余弦值;
(3)若点E在A1B上,且EB=1,求EC与平面ABCD所成角的大小.
正确答案
(1)如图建立空间直角坐标系C-xyz,
则C(0,0,0),D(1,0,0),B(0,1,0),A1(1,1,1).
∴=(-1,1,0),
=(1,1,1).
∴cos<,
>=
=
=0.
∴A1C与DB所成角的大小为90°.
(2)设平面A1BD的法向量=(x,y,z),
则⊥
,
⊥
,
可得,∴
=(1,1,-1).
同理可求得平面A1BC的一个法向量=(1,0,-1),
∴cos<,
>=
=
=
,
∴二面角D-A1B-C的余弦值为.
(3)设=(0,0,1)是平面ABCD的一个法向量,且
=(
,1,
),
∴cos<,
>=
=
,
∴<,
>=60°,
∴EC与平面ABCD所成的角是30°.
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