- 线面角和二面角的求法
- 共279题
12. 已知在正方体 中,点
是棱
的中点,则直线
与平面
所成角的正弦值为 .
正确答案
解析
以为坐标原点,分别以
所在直线为
轴,建立如图所示的空间直角坐标系.设正方体的棱长为2,则
,
.
平面
,则
是平面
的一个法向量.
设直线 与平面
所成角为
,则
.
考查方向
解题思路
1.建立空间直角坐标系,写出所需各点的坐标;2.求平面的法向量
和直线的方向向量
后带入公式求解即可。
易错点
1.直线与平面所成的角的公式记错,导致求成;2.利用向量法求点的坐标时出错。
知识点
如图,四边形ABCD中,AB⊥AD,AD∥BC,AD=3,BC=2AB=2,E,F分别在BC,AD上,EF∥AB.现将四边形ABEF沿EF折起,使平面ABEF⊥平面EFDC.
20.若,在折叠后的线段
上是否存在一点
,且
,
使得∥平面ABEF?若存在,求出λ的值;若不存在,说明理由;
21.求三棱锥A-CDF的体积的最大值,并求此时二面角E-AC-F的余弦值.
正确答案
(1);
解析
(Ⅰ)因为平面平面
,平面
∩平面
,
所以平面
,又
平面
,
所以
在折起过程中,,同时
∩
,
所以平面
以为坐标原点,分别以
所在直线为
轴,建立如图所示的空间直角坐标系.
若时,则各点坐标如下:
,
,
,
.
可得平面的法向量
.
因为,所以
所以,
故.
则,解得
.
所以线段上存在一点
,且
,使得
∥平面ABEF.
考查方向
解题思路
先根据题中给出的条件证明平面
,然后建立空间直角坐标系求解即可;
易错点
1.不知道折叠前后变的量和不变的量有哪些?2.不会根据题中的条件找到建立坐标系的条件。
正确答案
(2)
解析
(Ⅱ)设,所以
,
,
所以,
所以当时,
有最大值,且最大值为
.
可得,
,
,
.
所以,
,
,
.
设平面的一个法向量为
,
则,即
.
取,则
,
设平面的一个法向量为
,
则,即
同理可得
所以
所以二面角E﹣AC﹣F的余弦值为.
考查方向
解题思路
设出变量后得到函数,然后求其最大值后得到想x的值,然后按照空间向量的知识求解即可。
易错点
1.不知道折叠前后变的量和不变的量有哪些?2.不会根据题中的条件找到建立坐标系的条件。
如图,是平行四边形,
平面
,
,
,
,
.
,
,
分别为
,
,
的中点.
21.求证:;
22.求平面与平面
所成锐二面角的余弦值。
正确答案
(1)略;
解析
解:
而
考查方向
解题思路
先证明后即可得到答案;
易错点
找不到而无法证明答案;
正确答案
(2)
解析
设的中点为
,连结
,
,
.
易知所以
四点共面
,
分别为
,
,
的中点
同理 又
二面角即为平面
与平面
所成的锐二面角
,
,
且
就是平面
与平面
所成锐二面角的一个平面角
考查方向
解题思路
先证明就是平面
与平面
所成锐二面角的一个平面角,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,五面体中,
,
平面
,
,
.
18.求证:直线平面
;
19.求二面角的平面角的余弦值.
正确答案
略
解析
解:在直角梯形中,
,
可得:∽
,从而可得:
①,
又∵平面
,∴
,
又,所以有
平面
,
可得:②,
由①②可得:直线平面
; -----------------------------7分
考查方向
解题思路
先证出,再证
,
平面
,可得:直线
平面
易错点
在证明面面垂直时,没有严格按照定理的条件论证,重点是线面垂直,易在过程的严密性上扣分。
正确答案
解析
在直角梯形中,
,
可得:∽
,从而可得:
①,
又∵平面
,∴
,
又,所以有
平面
,
可得:②,
由①②可得:直线平面
; -----------------------------7分
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,建立如图空间直角坐标系,
由题意知各点坐标如下:
, -----------------------9分
因此 ,
设平面的法向量为
,
平面的法向量为
,
由,
可取; --------11分
由,
可取; -----------------------13分
于是,
故二面角的平面角的余弦值为
. --------------------------------15分
考查方向
解题思路
(Ⅰ)先证出,再证
,
平面
,可得:直线
平面
(Ⅱ)建立如图空间直角坐标系,求两个平面的法向量,求法向量的夹角,进行确定二面角的大小。
易错点
(1).在证明面面垂直时,没有严格按照定理的条件论证,重点是线面垂直,易在过程的严密性上扣分。
(2).建立合理的坐标系,正确求点坐标
如图(1),在等腰梯形中,
是梯形的高
,
,
,
现将梯形沿,
折起,使
且
,得一简单组合体
如
图(2)示,已知,
分别为
,
的中点.
18.求证:平面
;
19.若直线与平面
所成角的正切值为
,求平面
与平面
所成的锐二面角大小.
正确答案
见解析
解析
(Ⅰ)证明:连,∵四边形
是矩形,
为
中点,
∴为
中点.
在中,
为
中点,故
.
∵平面
,
平面
,
平面
考查方向
解题思路
连结AC,通过证明,利用直线与平面平行的判定定理证明
.
易错点
主要易错于线面角的判断出错,
正确答案
见解析
解析
(Ⅱ)依题意知 且
∴平面
,过点
作
,连接
在面
上的射影是
.
所以为
与平面
所成的角。
所以:
所以:
设且
,分别以
所在
的直线为
轴建立空间直角坐标系
则
设分别是平面
与平面
的法向量
令,
即
取
则
平面
与平面
所成锐二面角的大小为
.
考查方向
解题思路
先由线面垂直的判定定理可证得 ,可知
就是DE与平面ABFE所成的角,解
,可得AD及DE的长,
分别以AB,AP,AD所在的直线建立空间直角坐标系,求出平面ADE与平面CDFE的法向量,代入向量夹角公式,可得答案.
易错点
主要易错于线面角的判断出错,
如图,已知在直四棱柱(侧棱垂直底面的棱柱)中,
,
,
.
21.求证:平面
.
22.求与平面
所成的角的的正弦值;
23.求二面角的正弦值.
正确答案
(1)略;
解析
以为原点,
所在直线分别为
轴,
轴,
轴建立如图所示的空间直角坐标系,
则,
,
,
,
,
.
,
又因为
所以,平面
.
考查方向
解题思路
建立空间直角坐标系,写出所需要的各个点的坐标,然后即可证明,
易错点
在建立坐标系时坐标写错;
正确答案
(2)
解析
(Ⅱ)设为平面
的一个法向量.
由,
,
得取
,则
.
又
设与平面
所成的角为
,则
,
即与平面
所成的角的的正弦值
.
考查方向
解题思路
先求平面的一个法向量,然后带入线面角的公式即可;
易错点
记错公式导致结果出错,主要是求正弦余弦弄不明白。
正确答案
(3)
解析
(Ⅲ)由(Ⅱ)知平面的一个法向量为
设为平面
的一个法向量,
由,
,
,
得取
,则
.
设与
所成角为
,则
,
所以二面角的正弦值为
.
考查方向
解题思路
分别求平面法向量和平面
的法向量,然后带入公式即可。
易错点
无
如图4,已知四棱锥P—ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD
中,∠A=90°,AB∥CD,AB=1,AD=CD=2.
22.若二面角P—CD—B为45°,求证:平面平面
;
23.在(Ⅰ)的条件下,求点A到平面PBC的距离.
正确答案
(1)略;
解析
Ⅰ)平面ABCD,
∵AB//CD,AB⊥AD,∴
平面
,CD⊥PD,
∴二为面角P—CD—B的平面角,
,
取PD的中点E,PC的中点F,连结AE,BF,EF,
则,∵
平面
,
∴,
平面
,-∵
且
,
,
∴四边形ABFE为平行四边形,∴,
平面
,
∵面
,∴平面
平面
考查方向
解题思路
1.先找出二为面角P—CD—B的平面角,后证明
平面
,即可证明面面垂直;2.利用等体积法直接求解答案即可。
易错点
不会从图形中找到二面角P—CD—B的平面角;
不知道该证明哪条直线垂直于哪个平面;
正确答案
(2)
解析
(Ⅱ)设点A到平面PBC的距离为,由
得
分
即点A到平面PBC的距离为
考查方向
解题思路
1.先找出二为面角P—CD—B的平面角,后证明
平面
,即可证明面面垂直;
2.利用等体积法直接求解答案即可。
易错点
利用等体积法运算时求解算数出错。
如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,△ABC是边长为2的等边三角形,AA1⊥平面ABC,点E是AB的中点,CE∥平面A1BD。
21.求证:点D是CC1的中点;
22.若A1D⊥BD,求平面A1BD与平面ABC所成二面角(锐角)的余弦值。
正确答案
略
解析
取A1B1的中点F,连接FC1,EF,设EFA1B=G,连接CD,……1
由作图过程易得:四边形CEFC1为平行四边形,EC∥AA1。
在△AA1B中,点E是AB的中点,∴点G是A1B的中点,
EG=
AA1=
CC1。……………………………3
又CE∥平面A1BD,CE平面EFC1C,
且平面EFC1C平面A1BD=DG,
∴DG∥CE,又∵EG∥CD
∴四边形CEGD为平行四边形,CD=EG=CC1,
∴点D是CC1的中点……………………………6
考查方向
解题思路
利用题中条件,证明四边形CEFC1为平行四边形,进而由CE∥平面A1BD。证明得出
易错点
在证明线面垂直时,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
由(Ⅰ)知EF∥AA1,AA1⊥平面ABC,
∴EF⊥平面ABC
又△ABC是边长为2的等边三角形,点E是AB的中点,
∴CE⊥AB且CE=。
如图,建立空间直角坐标系E-xyz,设EF=2h,…………………7
则B(1,0,0),C(0,,0),F(0,0,2h),A1(-1,0,2h),D(0,
,h),
,
,
,
由A1D⊥BD可知:,h=
…………………8
由z轴⊥平面ABC可得:平面ABC的一个法向量为m=(0,0,1)。…………9
设平面A1BD的法向量为=(x,y,z),
由 ,得
,
令x=,则
,
∴cos<,
>=
,
∴平面A1BD与平面ABC所成二面角(锐角)的余弦值为。
考查方向
解题思路
如图,建立空间直角坐标系E-xyz,设EF=2h,找到两个面的法向量,以下按求二面的步骤就可解。
易错点
建立合理的坐标系,正确求点坐标
8.如图,在长方体中,点
分别是棱
,
上的动点,
,直线
与平面
所成的角为
,则△
的面积的最小值是
正确答案
解析
设直角三棱锥C-C’PQ的高为h, CQ=x,CP=y,根据直角三棱锥的性质可知,+
,而直线CC’与平面C’PQ成的角为
,所以h=
sin
=
;所以
+
=
,
+
,所以xy
再由体积桥可知:
=
,
=
xy ,
=xy,所以
的最小值为8,选择B.
考查方向
解题思路
设CQ=x,CP=y, 根据直角三棱锥的性质+
,再利用线面角,求出椎体的高h,并应用均值不等式得xy
,利用体积桥得
=xy,进而求出最小值。
易错点
直角三棱锥的重要性质应用不熟
知识点
已知四棱锥P-ABCD的三视图如下图所示,E是侧棱PC上的动点.
是否不论点E在何位置,都有BD⊥AE?证明你的结论;
若点E为PC的中点,求二面角D-AE-B的大小.
正确答案
略(具体过程看解析);
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,由线面垂直去证明线线垂直; 不论点E在何位置,都有BD⊥AE.
证明如下:由三视图可知,四棱锥P-ABC
D的底面是边长为1的正方形,侧棱PC⊥底面ABCD,且PC=2.连结AC,∵ABCD是正方形,∴BD⊥AC.∵PC⊥底面ABCD,且BD⊂平面ABCD,
∴BD⊥PC.又∵AC∩PC=C,∴BD⊥平面PAC.∵不论点E在何位置,
都有AE⊂平面PAC.∴不论点E在何位置,都有BD⊥AE.
考查方向
解题思路
本题考查了证明线线垂直,空间向量在立体几何中的应用,解题步骤如下:根据题设应该由线面垂直去证明线线垂直。
易错点
对线线垂直转化为线面垂直的思路受阻;
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,建好空间直角坐标系后,求出各点坐标,再求出法向量再算出夹角(亦可用传统法进行求解)。
解法1:在平面DAE内过点D作DF⊥AE于F,连结BF.
∵AD=AB=1,
∴Rt△ADE≌Rt△ABE,从而△ADF≌△ABF,∴BF⊥AE.
∴∠DFB为二面角D-AE-B的平面角(9分).在Rt△ADE中,
在△DFB中,由余弦定理得cos∠DFB=
,∴∠DFB=
, 即二面角D-AE-B的大小为
.
解法2:如图,以点C为原点,CD,CB,CP所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系。则D(1,0,0),A(1,1,0),B(0,1,0),E(0,0,1),
从而=(0,1,0),
=(-1,0,1),
=(1,0,0),
=(0,-1,1).
设平面ADE和平面ABE的法向量分别为
,
由,取
由,取
设二面角D-AE-B的平面角为θ,则
,
∴θ=,
即二面角D-AE-B的大小为
。
考查方向
解题思路
本题考查了证明线线垂直,空间向量在立体几何中的应用,解题步骤如下:建系,求出对应两个半平面的法向量,再由法向量的方面确定其夹角与二面角的关系。
易错点
二面角与法向量夹角之间是相等还是互补的判断。
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