- 线面角和二面角的求法
- 共279题
如图,在四棱锥中,
平面
,
,四边形
中
,
,且
,点
为
中点.
22.求证:平面平面
;
23.求点到平面
的距离.
正确答案
见解析
解析
试题分析:本题属于立体几何中的基本问题,题目的难度是逐渐由易到难,根据题设先证线面垂直再去证面面垂直;证明:取中点
,连接
.∵
是
中点,∴
.又∵
,∴
,
∴四边形
为平行四边形.∵
,∴
平面
.∴
,∴
.∵
,∴
,∴
平面
.∵
平面
,∴平面
平面
.
考查方向
解题思路
本题考查了面面垂直的证明和点到面的距离的求,解题步骤如下:根据题设先证线面垂直再去证面面垂直。
易错点
对面面垂直的证明的表述不严谨和运算出错;
正确答案
解析
试题分析:本题属于立体几何中的基本问题,题目的难度是逐渐由易到难,由等体积法求出点到面的距离。由⑴知,.
∴平面
,即点
到平面
的距离为
.在
中,由
,得
,∴
.
∴点到平面
的距离为
.
考查方向
解题思路
本题考查了面面垂直的证明和点到面的距离的求,解题步骤如下:由等体积法求出点到面的距离。
易错点
对面面垂直的证明的表述不严谨和运算出错;
在正三角形ABC中,E、F、P分别是AB、AC、BC边上的点,满足AE :EB=CF :FA=CP :PB=1 :2,如图(5).将△AEF沿EF折起到△A1EF的位置,使二面角A1一EF-B成直二面角,连结A1B、A1P,如图(6).
21.求证:A1E⊥平面BEP;
22.求二面角B—A1P—E的余弦值.
正确答案
(1)A1E⊥平面BEP;
解析
解:不妨设正三角形ABC 的边长为 3 .
(1)在图5中,取BE的中点D,连结DF.
∵AEEB=CF
FA=1
2,∴AF=AD=2,而∠A=600,∴△ADF是正三角形,
又AE=DE=1,∴EF⊥AD
在图6中,A1E⊥EF,BE⊥EF,∴∠A1EB为二面角A1-EF-B的平面角.
由题设条件知此二面角为直二面角,∴A1E⊥BE
又BE∩EF=E,∴A1E⊥平面BEF,即A1E⊥平面BEP
考查方向
解题思路
(1)不妨设正三角形ABC 的边长为 3,取BE的中点D,连接DF,从而证明到EF⊥AD,再利用二面角A1一EF-B成直二面角推出A1E⊥BE,从而得证。
(2)由(1)构建空间直角坐标系并写出相关点的坐标,通过计算平面法向量的方法来计算二面角的余弦值。
易错点
平面翻折到空间中的不变量与改变量易出错及空间点坐标的确定。
正确答案
(2) 二面角B-A1P-E余弦值是
解析
解:
(2)建立分别以EB、EF、EA1为x轴、y轴、z轴的空间直角坐标系,则E(0,0,0),A1(0,0,1),
B(2,0,0),F(0, ,0), P (1,
,0),则
,
.设平面A1BP的法向量为
,
由平面ABP知,
,即
令,得
,
.
设平面A1PE向量为.
由平面A1PE知,
,即 可得
.
所以二面角B-A1P-E余弦值是
考查方向
解题思路
(1)不妨设正三角形ABC 的边长为 3,取BE的中点D,连接DF,从而证明到EF⊥AD,再利用二面角A1一EF-B成直二面角推出A1E⊥BE,从而得证。
(2)由(1)构建空间直角坐标系并写出相关点的坐标,通过计算平面法向量的方法来计算二面角的余弦值。
易错点
平面翻折到空间中的不变量与改变量易出错及空间点坐标的确定。
平面
,
.
18.若平面平面
,求证:
;
19.求平面与平面PBC所成二面角的大小.
正确答案
见解析
解析
考查方向
解题思路
该题解题关键在于找到所求内容的突破点
确定线面平行判定的方式:线//面→线//线
由已知AD//BC,得到线//面
易错点
本题容易在辅助线建立过程出错,空间直角坐标系建立及其坐标表示出错,二面角的判断出错
正确答案
见解析
解析
考查方向
解题思路
该题解题关键在于找到所求内容的突破点
根据线//面→线//线
根据已知条件建立坐标系,并标记所需点的坐标
计算相应面的法向量,并求向量的夹角
判断两面角的大小确定二面角
易错点
本题容易在辅助线建立过程出错,空间直角坐标系建立及其坐标表示出错,二面角的判断出错
15.如图,正四面体的棱
在平面
上,
为棱
的中点.当正四面体
绕旋转时,直线
与平面
所成最大角的正弦值为 ▲ .
正确答案
解析
过A作于O,取BD的中点,延长AE交
于G,连接AF并延长交
于H,连接GO,所以∠AGO直线
与平面
所成的角,且EF//GH,在三角形AEF中,易解得
,根据三余弦公式可得,
当
考查方向
解题思路
结合正四面体的性质,利用三余弦公式可求解,
易错点
找不到解决问题的几何模型易了出错。
知识点
8.如图,已知△ABC,D是AB的 中点,沿直线CD将△ACD折成△A′CD,所成二面角A′-CD-B的平面角为α,则( )
正确答案
解析
试题分析:分AC=BC和AC≠BC两种情况,作出二面角的平面角进行判断。
当AC=BC时,∠A′DB为二面角A′-CD-B的平面角,∠A′DB=α;
当AC≠BC时,∠A′DB>α,故选B.
考查方向
解题思路
作出二面角的平面角,然后进行判断即可。
易错点
注意角的关系中等号成立的条件。
知识点
如图,中,
是
的中点,
,
.将
沿
折起,使
点到达
点.
18.求证:;
19.当三棱锥的体积最大时,试问在线段
上是否存在一点
,使
与平面
所成的角的正弦值为
?若存在,求出点
的位置;若不存在,请说明理由.
正确答案
见证明.
解析
试题分析:本题属于立体几何的综合应用问题,属于中档题,只要掌握相关立体几何的知识,即可解决本题,解析如下:证明:因为且
是
的中点,所以
,由折叠知
,又
,所以
.
考查方向
解题思路
直接利用线面垂直的判定定理进行证明;
易错点
相关知识不熟容易处错。
正确答案
不存在.
解析
试题分析:本题属于立体几何的综合应用问题,属于中档题,只要掌握相关立体几何的知识,即可解决本题,解析如下:不存在.
证明如下:
当面面
时,三棱锥
的体积最大.因为面
面
,
所以面
.
(方法一)连结,
因为,
,
所以面
,所以
即为
与平面
所成的角,在直角三角形
中,
,所以
,而
中,
,
设到直线
的距离为
,则由
,得
.
因为, 所以满足条件的点
不存在.
(方法二)(前面同解法一)在直角三角形中,
,所以
,易求得
到直线
的距离为
,所以满足条件的点
不存在
(方法三)已证得两两垂直 ,如图建立空间直角坐标系
,
则,设
,则
,又平面
的法向量
,依题
意得,
,得
,化简得,
,此方程无解,所以满足条件的点
不存在.
考查方向
解题思路
本问题方法较多,可以直接进行证明,也可以利用向量进行证明,详见解析.
易错点
相关知识不熟容易处错。
如图,已知四棱锥P-ABCD,底面ABCD为蓌形,PA⊥平面ABCD,∠ABC=60°,E,F分别是BC,PC 的中点.
21.求证:AE⊥PD;
22.若直线PB与平面PAD所成角的正弦值为,求二面角 E-AF-C的余弦值.
正确答案
见解析
解析
证明:由四边形为菱形,
,可得
为正三
角形.
因为E为BC的中点,所以AE⊥BC.又BC∥AD,因此AE⊥AD.
因为PA⊥平面ABCD,AE
平面ABCD,所以PA⊥AE.
而PA平面PAD,AD
平面PAD 且PA∩AD=A,
所以 AE⊥平面PAD,又PD平面PAD.所以 AE⊥PD.
考查方向
解题思路
第1问通过线面垂直证明线线垂直,第2问先找到二面角的平面角,然后在根据相关线段长求二面角的余弦值。
易错点
计算错误;空间直角坐标系建立错误
正确答案
见解析
解析
由21知AE,AD,AP两两垂直,以A为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系
,设AB=2,AP=a,则A(
),B
,C
,D(
),P(
),E(
),F(
),
所以=
,且
=
为平面PAD的法向量,设直线PB与
平面PAD所成的角为θ,
由=|
<
,
>|=
=
=
解得 所以
=
,
=
设平面AEF的一法向量为m=(x1,y1,z1),则,因此
取
,则m=(0,2,-1),因为BD⊥AC,BD⊥PA,PA∩AC=
A,所以BD⊥平面AFC,
故
为平面AFC的一法向量.又
=
,
所以 =
.
因为二面角E-AF-C为锐角,所以所求二面角的余弦值为
考查方向
解题思路
第1问通过线面垂直证明线线垂直,第2问先找到二面角的平面角,然后在根据相关线段长求二面角的余弦值。
易错点
计算错误;空间直角坐标系建立错误
如图,三棱柱中,
,
,平面
平面
,
与
相交于点
.
21.求证:平面
;
22.求二面角的余弦值.
正确答案
(1)略;
解析
(Ⅰ)依题意,侧面是菱形,
是
的中点,因为
,所以
,
又平面平面
,且
平面
,平面
平面
所以平面
.
考查方向
解题思路
先证明,后根据平面
平面
后即可得到答案;
易错点
不会转化平面平面
而无法证明答案;
正确答案
(2)
解析
(Ⅱ)由(Ⅰ)知平面
,
面
,所以
,
又,
,所以
平面
,
过作
,垂足为
,连结
,则
,
所以为二面角
的平面角.
在中,
,
所以,
所以,即二面角
的余弦值是
.
考查方向
解题思路
先证明为二面角
的平面角,后在三角形中解出即可。
易错点
找不到二面角的平面角无法做出答案。
如图(1)所示,在直角梯形ABCD中,AD∥BC,∠BAD=,AB=BC=1,AD=2,E是AD的中点,O是AC与BE的交点.将△ABE沿BE折起到△A1BE的位置,如图(2)所示.
22.证明:CD⊥平面A1OC;
23.若平面A1BE⊥平面BCDE,求平面A1BC与平面A1CD所成锐二面角的余弦值.
正确答案
见解析
解析
证明:在图(1)中,因为AB=BC=1,AD=2,E是AD的中点,∠BAD=,所以BE⊥AC,BE∥CD.即在图(2)中,BE⊥OA1,BE⊥OC,又OA1∩OC=O,OA1⊂平面A1OC,OC⊂平面A1OC,从而BE⊥平面A1OC.又CD∥BE,所以CD⊥平面A1OC.
考查方向
解题思路
第1问利用面面垂直证明线面垂直,第2问先找到二面角的平面角,再利用解直角三角形性质求解。
易错点
找不到二面角,辅助线作不出来
正确答案
见解析
解析
由已知,平面A1BE⊥平面BCDE,又由22题知,BE⊥OA1,BE⊥OC,
所以∠A1OC为二面角A1BE C的平面角,所以∠A1OC=.如图,以O为原点,OB,OC,OA1所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立空间直角坐标系,
因为A1B=A1E=BC=ED=1,BC∥ED,所以B(,0,0)E(-,0,0),A1(0,0,),C(0,,0),得=(-,,0),=(0,,-)
==(-,0,0).设平面A1BC的法向量n1=(x1,y1,z1),平面A1CD的法向量n2=(x2,y2,z2),平面A1BC与平面A1CD的夹角为θ,
则得取n1=(1,1,1);
得取n2=(0,1,1),从而cos θ=|cos〈n1,n2〉|==,即平面A1BC与平面A1CD所成锐二面角的余弦值为.
考查方向
解题思路
第1问利用面面垂直证明线面垂直,第2问先找到二面角的平面角,再利用解直角三角形性质求解。
易错点
找不到二面角,辅助线作不出来
如图,三棱柱中,
分别为
和
的中点,
,
侧面为菱形且
,
,
.
18.证明:直线平面
;
19.求二面角的余弦值.
正确答案
【见解析】
解析
解:∵,且
为中点,
,
∴ ,
又 ,∴
,
又 ,∴
平面
,
取中点
,则
,即
两两互相垂直,
以为原点,
分别为
轴,建立空间直角坐标系如图,
∴5分
(Ⅰ)设平面的法向量为
,则
,
,取
, ∵
,
,
∴ ,又
平面
, ∴直线
∥平面
. …… 9分
考查方向
解题思路
先计算必要棱长,证出,
平面
,
以为原点,
分别为
轴,建立空间直角坐标系,利用法向量垂直已知直线,证出直线
∥平面
易错点
在证明线面平行时,没有严格按照定理的三个条件去证,重点是线线平行。易在过程的严密性上扣分。
正确答案
解析
解:∵,且
为中点,
,
∴ ,
又 ,∴
,
又 ,∴
平面
,
取中点
,则
,即
两两互相垂直,
以为原点,
分别为
轴,建立空间直角坐标系如图,
∴5分
(Ⅱ)设平面的法向量为
,
,
,
, 取
,
又由(Ⅰ)知平面的法向量为
,设二面角
为
,
∵ 二面角为锐角,∴
,
∴ 二面角的余弦值为
. ………… 15分
考查方向
解题思路
直接按步计算,先求法向量,再求法向量夹角,最后确定二面角余弦值与法向量夹角的余弦值之间的关系
易错点
建立合理的坐标系,正确求点坐标
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