- 用向量方法解决线线、线面、面面的夹角问题
- 共2973题
如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,
,P为C1D1的中点,M为BC的中点.
(Ⅰ)证明:AM⊥PM;
(Ⅱ)求AD与平面AMP所成角的正弦值;
(Ⅲ)求二面角P-AM-D的大小.
正确答案
解:(Ⅰ)以D点为原点,DA、DC、DD1为x轴、y轴、z轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz…(1分)
可得,
.
∴,
,
由此可得,
即,可得AM⊥PM. …(4分)
(Ⅱ)设平面PAM的一个法向量为,
则,即
解得
,
取y=1,得,…(6分)
∴AD与平面AMP所成角θ的正弦值
sinθ=|cos<,
>|=
=
. …(9分)
(Ⅲ)由(II),向量是平面PAM的一个法向量,
∵平面AMD的法向量为,可得cos<
,
>=
=
=
∴向量,
的所成角等于45°,观察图形可得:二面角P-AM-D的大小等于45°.…(13分)
解析
解:(Ⅰ)以D点为原点,DA、DC、DD1为x轴、y轴、z轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz…(1分)
可得,
.
∴,
,
由此可得,
即,可得AM⊥PM. …(4分)
(Ⅱ)设平面PAM的一个法向量为,
则,即
解得
,
取y=1,得,…(6分)
∴AD与平面AMP所成角θ的正弦值
sinθ=|cos<,
>|=
=
. …(9分)
(Ⅲ)由(II),向量是平面PAM的一个法向量,
∵平面AMD的法向量为,可得cos<
,
>=
=
=
∴向量,
的所成角等于45°,观察图形可得:二面角P-AM-D的大小等于45°.…(13分)
如图,四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,PD垂直于底面ABCD,AD=PD=2,
E、F分别为CD、PB的中点.
(1)求证:EF⊥平面PAB;
(2)设,求直线AC与平面AEF所成角θ的正弦值.
正确答案
解:以D为从标原点,DC、DA、DP所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系D-xyz.设AB=a,
则A(0,2,0),B(a,2,0),C(a,0,0),D(0,0,0,),p(0,0,2),…(2分)
(1)由题意可得:=0×0+1×2+1×(-2)=0,
=0×a+1×2+1×(-2)=0
∴EF⊥PA,EF⊥PB.
∴EF⊥平面PAB.…(6分)
(2)AB=2=(0,1,1).
设平面AEF的法向量n=(x,y,z),
则
令y=1,则x=…(9分)
又.…(11分)
所以sinθ=1cos<.…(12分)
解析
解:以D为从标原点,DC、DA、DP所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系D-xyz.设AB=a,
则A(0,2,0),B(a,2,0),C(a,0,0),D(0,0,0,),p(0,0,2),…(2分)
(1)由题意可得:=0×0+1×2+1×(-2)=0,
=0×a+1×2+1×(-2)=0
∴EF⊥PA,EF⊥PB.
∴EF⊥平面PAB.…(6分)
(2)AB=2=(0,1,1).
设平面AEF的法向量n=(x,y,z),
则
令y=1,则x=…(9分)
又.…(11分)
所以sinθ=1cos<.…(12分)
如图,平面ABCD⊥平面ABEF,ABCD是边长为1的正方形,ABEF是矩形,且AF=
,G是线段EF的中点.
(Ⅰ)求证:AG⊥平面BCG;
(Ⅱ)求直线BE与平面ACG所成角的正弦值的大小.
正确答案
(I)证明:如图,
以A为坐标原点,AF为x轴,AB为y轴,AD为z轴,建立空间直角坐标系.
A(0,0,0),G(,
,0),C(0,1,1),B(0,1,0)
,
,
∴AG⊥BG,AG⊥BC,∴AG⊥平面BCG;
(Ⅱ)解:法一、
设面ACG的法向量为=(x,y,z)
则•
=
x+
y=0
•
=y+z=0
取x=1,得=(1,-1,1)
而=(
,0,0)
所以,cos<,
>=
=
所以直线BE与平面ACG所成角的正弦值为
法二、
由(I)AG⊥平面BCG,平面ACG⊥平面BCG
作BH⊥GC,∴BH⊥面ACG,延长AG、BE交于K,连HK,
所以∠KHB即为直线BE与平面ACG所成角.
由(I)知,AG⊥平面BCG;,故AG⊥BG,
AF=BE= AB.
BG=AB,
BH==
=
AB.
sin∠KHB==
所以直线BE与平面ACG所成角的正弦值为.
解析
(I)证明:如图,
以A为坐标原点,AF为x轴,AB为y轴,AD为z轴,建立空间直角坐标系.
A(0,0,0),G(,
,0),C(0,1,1),B(0,1,0)
,
,
∴AG⊥BG,AG⊥BC,∴AG⊥平面BCG;
(Ⅱ)解:法一、
设面ACG的法向量为=(x,y,z)
则•
=
x+
y=0
•
=y+z=0
取x=1,得=(1,-1,1)
而=(
,0,0)
所以,cos<,
>=
=
所以直线BE与平面ACG所成角的正弦值为
法二、
由(I)AG⊥平面BCG,平面ACG⊥平面BCG
作BH⊥GC,∴BH⊥面ACG,延长AG、BE交于K,连HK,
所以∠KHB即为直线BE与平面ACG所成角.
由(I)知,AG⊥平面BCG;,故AG⊥BG,
AF=BE= AB.
BG=AB,
BH==
=
AB.
sin∠KHB==
所以直线BE与平面ACG所成角的正弦值为.
如图,PCBM是直角梯形,∠PCB=90°,PM∥BC,PM=1,BC=2,又AC=1,∠ACB=120°,PC⊥面ABC,直线AM与直线PC所成的角为60°,求二面角M-AC-B的平面角的余弦值.
正确答案
解:在平面ABC内,过C作CD⊥CB,建立空间直角坐标系C-xyz(如图)
由题意有A(,
,0),设P(0,0,z0),(z0>0),
则M(0,1,z0),=
,
,
由直线AM与直线PC所成的角为60°,得,
即,解得z0=1,
∴=(0,1,1),
,
设平面MAC的一个法向量为,
则,即
,取x1=1,得
=(1,
,-
).
平面ABC的法向量为,∴
,
又∵二面角M-AC-B为锐角,∴二面角M-AC-B的平面角余弦值为.
解析
解:在平面ABC内,过C作CD⊥CB,建立空间直角坐标系C-xyz(如图)
由题意有A(,
,0),设P(0,0,z0),(z0>0),
则M(0,1,z0),=
,
,
由直线AM与直线PC所成的角为60°,得,
即,解得z0=1,
∴=(0,1,1),
,
设平面MAC的一个法向量为,
则,即
,取x1=1,得
=(1,
,-
).
平面ABC的法向量为,∴
,
又∵二面角M-AC-B为锐角,∴二面角M-AC-B的平面角余弦值为.
如图,四棱锥P-ABCD的底面为矩形,PA是四棱锥的高,PB与DC所成角为45°,F是PB的中点,E是BC上的动点.
(Ⅰ)证明:PE⊥AF;
(Ⅱ)若,求直线AP与平面PDE所成角的大小.
正确答案
解:(Ⅰ) 建立如图所示空间直角坐标系.设AP=AB=2,BE=a
则A(0,0,0),B(0,2,0),P(0,0,2),F(0,1,1),E(a,2,0)
于是,,
,
则,
所以AF⊥PE.…(6分)
(Ⅱ)若,则
,
,
=(2
,2,-2),
设平面PDE的法向量为=(x,y,z),
由,得:
,令x=1,则
,
于是,而
设直线AP与平面PDE所成角为θ,
则sinθ==
.
∴直线AP与平面PDE所成角为60°.
解析
解:(Ⅰ) 建立如图所示空间直角坐标系.设AP=AB=2,BE=a
则A(0,0,0),B(0,2,0),P(0,0,2),F(0,1,1),E(a,2,0)
于是,,
,
则,
所以AF⊥PE.…(6分)
(Ⅱ)若,则
,
,
=(2
,2,-2),
设平面PDE的法向量为=(x,y,z),
由,得:
,令x=1,则
,
于是,而
设直线AP与平面PDE所成角为θ,
则sinθ==
.
∴直线AP与平面PDE所成角为60°.
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