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專題46向量法求空間角
知識(shí)梳理
考綱要求
考點(diǎn)預(yù)測(cè)
常用結(jié)論
方法技巧
題型歸類
題型一:異面直線所成的角
題型二:直線與平面所成的角
題型三:平面與平面的夾角
培優(yōu)訓(xùn)練
訓(xùn)練一:
訓(xùn)練二:
訓(xùn)練三:
訓(xùn)練四:
強(qiáng)化測(cè)試
單選題:共8題
多選題:共4題
填空題:共4題
解答題:共6題
一、【知識(shí)梳理】
【考綱要求】
1.掌握空間向量的應(yīng)用.
2.會(huì)用空間向量求空間角和距離.
【考點(diǎn)預(yù)測(cè)】
1.異面直線所成的角
若異面直線l1,l2所成的角為θ,其方向向量分別是u,v,則cos θ=|cos〈u,v〉|=.
2.直線與平面所成的角
如圖,直線AB與平面α相交于點(diǎn)B,設(shè)直線AB與平面α所成的角為θ,直線AB的方向向量為u,平面α的法向量為n,則sin θ=|cos〈u,n〉|==.
3.平面與平面的夾角
如圖,平面α與平面β相交,形成四個(gè)二面角,我們把這四個(gè)二面角中不大于90°的二面角稱為平面α與平面β的夾角.
若平面α,β的法向量分別是n1和n2,則平面α與平面β的夾角即為向量n1和n2的夾角或其補(bǔ)角.設(shè)平面α與平面β的夾角為θ,則cos θ=|cos〈n1,n2〉|=.
【常用結(jié)論】
1.線面角θ的正弦值等于直線的方向向量a與平面的法向量n所成角的余弦值的絕對(duì)值,即sin θ=|cos〈a,n〉|,不要誤記為cos θ=|cos〈a,n〉|.
2.二面角的范圍是[0,π],兩個(gè)平面夾角的范圍是.
【方法技巧】
1.求異面直線所成的角的兩個(gè)關(guān)注點(diǎn)
(1)用向量方法求兩條異面直線所成的角,是通過(guò)兩條直線的方向向量的夾角來(lái)求解的.
(2)由于兩異面直線所成角的范圍是θ∈,兩方向向量的夾角α的范圍是[0,π],所以要注意二者的區(qū)別與聯(lián)系,應(yīng)有cos θ=|cos α|.
2.求直線與平面所成角的方法
(1)定義法:
①作,在斜線上選取恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)向平面引垂線,在這一步上確定垂足的位置是關(guān)鍵;
②證,證明所作的角為直線與平面所成的角,其證明的主要依據(jù)是直線與平面所成角的概念;
③求,構(gòu)造角所在的三角形,利用解三角形的知識(shí)求角.
(2)公式法:sin θ=(其中h為斜線上除斜足外的任一點(diǎn)到所給平面的距離,l為該點(diǎn)到斜足的距離,θ為斜線與平面所成的角).
(3)向量法:sin θ=|cos〈,n〉|=(其中AB為平面α的斜線,n為平面α的法向量,θ為斜線AB與平面α所成的角).
3.利用向量法計(jì)算二面角大小的常用方法
(1)找法向量法:分別求出二面角的兩個(gè)半平面所在平面的法向量,然后通過(guò)兩個(gè)平面的法向量的夾角得到二面角的大小,但要注意結(jié)合實(shí)際圖形判斷所求角的大?。?
(2)找與棱垂直的方向向量法:分別在二面角的兩個(gè)半平面內(nèi)找到與棱垂直且以垂足為起點(diǎn)的兩個(gè)向量,則這兩個(gè)向量的夾角的大小就是二面角的大?。?br />
二、【題型歸類】
【題型一】異面直線所成的角
【典例1】如圖,在四棱錐P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD是菱形,AB=2,∠BAD=60°.
(1)求證:BD⊥平面PAC;
(2)若PA=AB,求PB與AC所成角的余弦值;
(3)當(dāng)平面PBC與平面PDC垂直時(shí),求PA的長(zhǎng).
【解析】(1)證明 因?yàn)樗倪呅蜛BCD是菱形,所以AC⊥BD.
又因?yàn)镻A⊥平面ABCD,所以PA⊥BD,
所以BD⊥平面PAC.
(2)解 設(shè)AC∩BD=O,
因?yàn)椤螧AD=60°,PA=AB=2,
所以BO=1,AO=CO=.
如圖,以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz,
則P(0,-,2),A(0,-,0),B(1,0,0),C(0,,0),D(-1,0,0),
所以=(1,,-2),=(0,2,0).
設(shè)PB與AC所成角為θ,
則cos θ===.
(3)解 由(2)知=(-1,,0).
設(shè)P(0,-,t)(t>0),
則=(-1,-,t).
設(shè)平面PBC的法向量m=(x,y,z),
則·m=0,·m=0,
所以
令y=,則x=3,z=,
所以m=.
同理,平面PDC的法向量n=.
因?yàn)槠矫鍼BC⊥平面PDC,
所以m·n=0,即-6+=0,
解得t=,所以PA=.
【典例2】如圖所示,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1⊥底面ABC,AB=BC=AA1,∠ABC=90°,點(diǎn)E,F(xiàn)分別是棱AB,BB1的中點(diǎn),試求直線EF和BC1所成的角.
【解析】以B為原點(diǎn),分別以直線BC,BA,BB1為x,y,z軸,建立空間直角坐標(biāo)系(如圖).
設(shè)AB=1,
則B(0,0,0),E,F(xiàn),C1(1,0,1),
所以=,=(1,0,1).
于是cos〈,〉=
==,
所以直線EF和BC1所成角的大小為60°.
【典例3】如圖,已知圓錐CO的截面△ABC是正三角形,AB是底面圓O的直徑,點(diǎn)D在上,且∠AOD=2∠BOD,則異面直線AD與BC所成角的余弦值為( )
A. B. C. D.
【解析】因?yàn)椤螦OD=2∠BOD,
且∠AOD+∠BOD=π,
所以∠BOD=,
連接CO,則CO⊥平面ABD,以點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),OB,OC所在直線分別為y軸、z軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
設(shè)圓O的半徑為2,則A(0,-2,0),B(0,2,0),C(0,0,2),D(,1,0),
=(,3,0),=(0,-2,2),
設(shè)異面直線AD與BC所成的角為θ,
則cos θ=|cos〈,〉|===,因此,異面直線AD與BC所成角的余弦值為.
【題型二】直線與平面所成的角
【典例1】在邊長(zhǎng)為2的菱形ABCD中,∠BAD=60°,點(diǎn)E是邊AB的中點(diǎn)(如圖1),將△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,連接A1B,A1C,得到四棱錐A1-BCDE(如圖2).
(1)證明:平面A1BE⊥平面BCDE;
(2)若A1E⊥BE,連接CE,求直線CE與平面A1CD所成角的正弦值.
【解析】(1)證明 連接圖1中的BD,如圖所示.
因?yàn)樗倪呅蜛BCD為菱形,且∠BAD=60°,
所以△ABD為等邊三角形,所以DE⊥AB,
所以在圖2中有DE⊥BE,DE⊥A1E,
因?yàn)锽E∩A1E=E,BE,A1E?平面A1BE,
所以DE⊥平面A1BE,
因?yàn)镈E?平面BCDE,
所以平面A1BE⊥平面BCDE.
(2)解 因?yàn)槠矫鍭1BE⊥平面BCDE,平面A1BE∩平面BCDE=BE,A1E⊥BE,A1E?平面A1BE,所以A1E⊥平面BCDE,
以E為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
所以A1(0,0,1),C(2,,0),D(0,,0),
E(0,0,0),
所以=(0,,-1),=(2,,-1),=(2,,0),
設(shè)平面A1CD的法向量為n=(x,y,z),
則
令y=1,則n=(0,1,),
所以cos〈n,〉===,
所以直線CE與平面A1CD所成角的正弦值為.
【典例2】如圖,四棱錐P-ABCD的底面為正方形,PD⊥底面ABCD.設(shè)平面PAD與平面PBC的交線為l.
(1)證明:l⊥平面PDC;
(2)已知PD=AD=1,Q為l上的點(diǎn),求PB與平面QCD所成角的正弦值的最大值.
【解析】(1)證明 在正方形ABCD中,AD∥BC,
因?yàn)锳D?平面PBC,BC?平面PBC,
所以AD∥平面PBC,
又因?yàn)锳D?平面PAD,平面PAD∩平面PBC=l,
所以AD∥l,
因?yàn)樵谒睦忮FP-ABCD中,底面ABCD是正方形,
所以AD⊥DC,所以l⊥DC,
因?yàn)镻D⊥平面ABCD,所以AD⊥PD,
所以l⊥PD,
因?yàn)镈C∩PD=D,PD,DC?平面PDC,
所以l⊥平面PDC.
(2)解 以D為坐標(biāo)原點(diǎn),的方向?yàn)閤軸正方向,
建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
因?yàn)镻D=AD=1,則有D(0,0,0),C(0,1,0),P(0,0,1),B(1,1,0),
因?yàn)槠矫鍼AD∩平面PBC=l,
所以l過(guò)點(diǎn)P,設(shè)Q(m,0,1),
則有=(0,1,0),=(m,0,1),=(1,1,-1),
設(shè)平面QCD的一個(gè)法向量為n=(x,y,z),
則即
令x=1,則z=-m,
所以平面QCD的一個(gè)法向量為n=(1,0,-m),
則cos〈n,〉==.
記PB與平面QCD所成的角為θ,根據(jù)直線的方向向量與平面法向量所成角的余弦值的絕對(duì)值即為直線與平面所成角的正弦值,
則sin θ=|cos〈n,〉|=,
當(dāng)m=0時(shí),sin θ=,
當(dāng)m≠0時(shí),sin θ=
=·=·
≤·≤·=,
當(dāng)且僅當(dāng)m=1時(shí)取等號(hào),
所以直線PB與平面QCD所成角的正弦值的最大值為.
【典例3】如圖所示,在三棱錐S-BCD中,平面SBD⊥平面BCD,A是線段SD上的點(diǎn),△SBD為等邊三角形,∠BCD=30°,CD=2DB=4.
(1)若SA=AD,求證:SD⊥CA;
(2)若直線BA與平面SCD所成角的正弦值為,求AD的長(zhǎng).
【解析】(1)證明 依題意,BD=2,
在△BCD中,CD=4,∠BCD=30°,
由余弦定理求得BC=2,
∴CD2=BD2+BC2,即BC⊥BD.
又平面SBD⊥平面BCD,平面SBD∩平面BCD=BD,BC?平面BCD,
∴BC⊥平面SBD.從而B(niǎo)C⊥SD,
在等邊△SBD中,SA=AD,則BA⊥SD.
又BC∩BA=B,BC,BA?平面BCA,
∴SD⊥平面BCA,又CA?平面BCA,
∴SD⊥CA.
(2)解 以B為坐標(biāo)原點(diǎn),BC,BD所在直線分別為x軸、y軸,過(guò)點(diǎn)B作平面BCD的垂線為z軸,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,則B(0,0,0),C(2,0,0),D(0,2,0),S(0,1,),
故=(-2,2,0),=(0,1,-),
設(shè)平面SCD的法向量為m=(x,y,z),
則
即
取x=1,則y=,z=1,
∴m=(1,,1),
設(shè)=λ(0≤λ≤1),
則=(0,-λ,λ),
故A(0,2-λ,λ),則=(0,2-λ,λ),
設(shè)直線BA與平面SCD所成角為θ,
故sin θ==
==,
解得λ=或λ=,則AD=或AD=.
【題型三】平面與平面的夾角
【典例1】在如圖所示的多面體中,EF⊥平面AEB,AE⊥EB,AD∥EF,EF∥BC,BC=2AD=4,EF=3,AE=BE=2,G是BC的中點(diǎn).
(1)求證:AB∥平面DEG;
(2)求二面角C-DF-E的余弦值.
【解析】(1)證明:因?yàn)锳D∥EF,EF∥BC,
所以AD∥BC,又BC=2AD,G是BC的中點(diǎn),
所以AD平行且等于BG,所以四邊形ADGB是平行四邊形,所以AB∥DG.
因?yàn)锳B?平面DEG,DG?平面DEG,
所以AB∥平面DEG.
(2)因?yàn)镋F⊥平面AEB,AE?平面AEB,BE?平面AEB,
所以EF⊥AE,EF⊥BE,又AE⊥EB,
所以EB,EF,EA兩兩垂直.
以點(diǎn)E為坐標(biāo)原點(diǎn),EB,EF,EA所在的直線分別為x,y,z軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.
則E(0,0,0),B(2,0,0),C(2,4,0),F(xiàn)(0,3,0),D(0,2,2).
由已知得=(2,0,0)是平面EFDA的一個(gè)法向量.
設(shè)平面DCF的法向量為n=(x,y,z),
則因?yàn)椋?0,-1,2),=(2,1,0),所以令z=1,得y=2,x=-1,所以可取n=(-1,2,1).
設(shè)二面角C-DF-E的大小為θ,則cos θ=cos〈n,〉==-.
易知二面角C-DF-E為鈍二面角,
所以二面角C-DF-E的余弦值為-.
【典例2】如圖是一個(gè)半圓柱與多面體ABB1A1C構(gòu)成的幾何體,平面ABC與半圓柱的下底面共面,且AC⊥BC,P為弧A1B1上(不與A1,B1重合)的動(dòng)點(diǎn).
(1)證明:PA1⊥平面PBB1;
(2)若四邊形ABB1A1為正方形,且AC=BC,∠PB1A1=,求二面角P-A1B1-C的余弦值.
【解析】(1)證明:在半圓柱中,BB1⊥平面PA1B1,所以BB1⊥PA1.
因?yàn)锳1B1是直徑,所以PA1⊥PB1.
因?yàn)镻B1∩BB1=B1,PB1?平面PBB1,BB1?平面PBB1,
所以PA1⊥平面PBB1.
(2)以C為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以CB,CA所在直線為x軸,y軸,過(guò)C與平面ABC垂直的直線為z軸,建立空間直角坐標(biāo)系C-xyz,如圖所示.
設(shè)CB=1,則C(0,0,0),B(1,0,0),A(0,1,0),A1(0,1,),B1(1,0,),P(1,1,).
所以=(0,1,),=(1,0,).
平面PA1B1的一個(gè)法向量為n1=(0,0,1).
設(shè)平面CA1B1的法向量為n2=(x,y,z),
則
令z=1,則
所以可取n2=(-,-,1),
所以cos〈n1,n2〉==.
由圖可知二面角P-A1B1-C為鈍角,
所以所求二面角的余弦值為-.
【典例3】如圖,在三棱錐A-BCD中,平面ABD⊥平面BCD,AB=AD,O為BD的中點(diǎn).
(1)證明:OA⊥CD;
(2)若△OCD是邊長(zhǎng)為1的等邊三角形,點(diǎn)E在棱AD上,DE=2EA,且二面角E-BC-D的大小為45°,求三棱錐A-BCD的體積.
【解析】(1)證明 因?yàn)锳B=AD,O為BD的中點(diǎn),所以O(shè)A⊥BD.
又平面ABD⊥平面BCD,且平面ABD∩平面BCD=BD,AO?平面ABD,
所以AO⊥平面BCD.
又CD?平面BCD,所以AO⊥CD.
(2)解 法一 如圖所示,以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn),OB,OA所在直線分別為x,z軸,在平面BCD內(nèi),以過(guò)點(diǎn)O且與BD垂直的直線為y軸建立空間直角坐標(biāo)系.
因?yàn)椤鱋CD是邊長(zhǎng)為1的正三角形,且O為BD的中點(diǎn),
所以O(shè)C=OB=OD=1,
所以B(1,0,0),D(-1,0,0),C.
設(shè)A(0,0,a),a>0,因?yàn)镈E=2EA,
所以E.
由題意可知平面BCD的一個(gè)法向量為n=(0,0,1).
設(shè)平面BCE的法向量為m=(x,y,z),
因?yàn)椋?,=?br />
所以即
令x=1,則y=,z=,
所以m=.
因?yàn)槎娼荅-BC-D的大小為45°,
所以cos 45°===,
得a=1,即OA=1.
因?yàn)镾△BCD=BD·CDsin 60°=×2×1×=,
所以VA-BCD=S△BCD·OA=××1=.
法二 因?yàn)椤鱋CD是邊長(zhǎng)為1的正三角形,且O為BD的中點(diǎn),所以O(shè)C=OB=OD=1,
所以△BCD是直角三角形,且∠BCD=90°,BC=,所以S△BCD=.
如圖,過(guò)點(diǎn)E作EF∥AO,交BD于F,過(guò)點(diǎn)F作FG⊥BC,垂足為G,連接EG.
因?yàn)锳O⊥平面BCD,
所以EF⊥平面BCD.
又BC?平面BCD,所以EF⊥BC.
又FG⊥BC,且EF∩FG=F,EF,F(xiàn)G?平面EFG,
所以BC⊥平面EFG,又EG?平面EFG,所以BC⊥EG,
則∠EGF為二面角E-BC-D的平面角,
所以∠EGF=45°,則GF=EF.
因?yàn)镈E=2EA,
所以EF=OA,DF=2OF,
所以=2.
因?yàn)镕G⊥BC,CD⊥BC,所以GF∥CD,
則=,所以GF=,
所以EF=GF=,所以O(shè)A=1,
所以VA-BCD=S△BCD·AO=××1=.
三、【培優(yōu)訓(xùn)練】
【訓(xùn)練一】如圖,AE⊥平面ABCD,CF∥AE,AD∥BC,AD⊥AB,AB=AD=1,AE=BC=2.
(1)求證:BF∥平面ADE;
(2)求直線CE與平面BDE所成角的正弦值;
(3)若平面EBD與平面FBD夾角的余弦值為,求線段CF的長(zhǎng).
【解析】依題意,建立以A為原點(diǎn),分別以,,的方向?yàn)閤軸、y軸、z軸正方向的空間直角坐標(biāo)系(如圖),可得A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,2,0),D(0,1,0),E(0,0,2).
設(shè)CF=h(h>0),則F(1,2,h).
(1)證明 依題意,=(1,0,0)是平面ADE的一個(gè)法向量,
又=(0,2,h),可得·=0,
又因?yàn)橹本€BF?平面ADE,
所以BF∥平面ADE.
(2)依題意,=(-1,1,0),=(-1,0,2),=(-1,-2,2).
設(shè)n=(x,y,z)為平面BDE的法向量,
則即
不妨令z=1,可得n =(2,2,1).
因此有cos〈,n〉==-.
所以,直線CE與平面BDE所成角的正弦值為.
(3)設(shè)m=(x1,y1,z1)為平面BDF的法向量,
則即
不妨令y1=1,可得m =.
又n=(2,2,1)為平面BDE的一個(gè)法向量,
故由題意,
有|cos〈m,n〉|===.
解得h=.經(jīng)檢驗(yàn),符合題意.
所以,線段CF的長(zhǎng)為.
【訓(xùn)練二】如圖,四棱錐P-ABCD中,側(cè)面PAD為等邊三角形且垂直于底面ABCD,AB=BC=AD,∠BAD=∠ABC=90°,E是PD的中點(diǎn).
(1)證明:直線CE∥平面PAB;
(2)點(diǎn)M在棱PC上,且直線BM與底面ABCD所成角為45°,求平面MAB與平面DAB夾角的余弦值.
【解析】(1)證明 取PA的中點(diǎn)F,連接EF,BF,因?yàn)镋是PD的中點(diǎn),所以EF∥AD,EF=AD.
由∠BAD=∠ABC=90°得BC∥AD.
又BC=AD,所以EF平行且等于BC,
所以四邊形BCEF是平行四邊形,
則CE∥BF.
又BF?平面PAB,CE?平面PAB,
故CE∥平面PAB.
(2)解 由已知得BA⊥AD,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),的方向?yàn)閤軸正方向,||為單位長(zhǎng),建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系A(chǔ)-xyz,則
A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,1,0),P(0,1,),
=(1,0,-),=(1,0,0).
設(shè)M(x,y,z)(0
這是一份2024年新高考數(shù)學(xué)一輪復(fù)習(xí)題型歸類與強(qiáng)化測(cè)試專題47向量法求距離探索性及折疊問(wèn)題(學(xué)生版),共11頁(yè)。試卷主要包含了【知識(shí)梳理】,【題型歸類】,【培優(yōu)訓(xùn)練】,【強(qiáng)化測(cè)試】等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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這是一份2024年新高考數(shù)學(xué)一輪復(fù)習(xí)題型歸類與強(qiáng)化測(cè)試專題46向量法求空間角(教師版),共52頁(yè)。試卷主要包含了【知識(shí)梳理】,【題型歸類】,【培優(yōu)訓(xùn)練】,【強(qiáng)化測(cè)試】等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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