
A.eq \f(\r(2),4) B.eq \f(\r(2),3)
C.eq \f(\r(3),4) D.eq \f(\r(3),3)
[解析] 解法一:如圖建立空間直角坐標(biāo)系,由PO⊥OA,∠PAO=eq \f(π,4),知AO=PO,由AO=2,∠AOB=eq \f(π,3),知△AOB為正三角形,∴B(1,eq \r(3),0),又A(2,0,0),P(0,0,2),∴eq \(OA,\s\up6(→))=(2,0,0),eq \(PB,\s\up6(→))=(1,eq \r(3),-2),記OA與PB所成角為θ,則cs θ=eq \f(|\(OA,\s\up6(→))·\(PB,\s\up6(→))|,|\(OA,\s\up6(→))|·|\(PB,\s\up6(→))|)=eq \f(2,2×2\r(2))=eq \f(\r(2),4).故選A.
解法二:由題意知eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=2,eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OP,\s\up6(→))=eq \(OB,\s\up6(→))·eq \(OP,\s\up6(→))=0,記OA與PB所成角為θ,則cs θ=eq \f(|\(OA,\s\up6(→))·\(PB,\s\up6(→))|,|\(OA,\s\up6(→))|·|\(PB,\s\up6(→))|)=eq \f(|\(OA,\s\up6(→))·?\(OB,\s\up6(→))-\(OP,\s\up6(→))?|,2×2\r(2))=eq \f(|\(OA,\s\up6(→))·\(OB,\s\up6(→))|,4\r(2))=eq \f(\r(2),4).故選A.
解法三:連接AB,取AP,AB,PO的中點(diǎn)分別為M,Q,N,連接MN,MQ,NQ,OQ,則MN∥OA,MQ∥PB,所以∠NMQ(或其補(bǔ)角)為直線OA與PB所成的角,又OP⊥OA,OP⊥OB,因?yàn)椤螦OB=eq \f(π,3),∠PAO=eq \f(π,4),OA=OB=2,所以PO=OA=2,ON=eq \f(1,2)OP=1,PB=eq \r(2)OP=2eq \r(2),OQ=eq \f(\r(3),2)×2=eq \r(3),所以MQ=eq \f(1,2)PB=eq \r(2),NQ=eq \r(OQ2+ON2)=2,MN=eq \f(1,2)OA=1,則由余弦定理得:cs∠NMQ=eq \f(12+?\r(2)?2-22,2×1×\r(2))=-eq \f(\r(2),4),所以直線OA與PB所成角的余弦值為eq \f(\r(2),4),故選A.
[引申]本例中若H為PC的中點(diǎn),則BH與PA所成角的余弦值為 eq \f(3,4) .
[解析] 由解法一可知H(-1,0,1),∴eq \(BH,\s\up6(→))=(-2,-eq \r(3),1),eq \(PA,\s\up6(→))=(2,0,-2),記BH與PA所成角為α,則cs α=eq \f(|\(BH,\s\up6(→))·\(PA,\s\up6(→))|,|\(BH,\s\up6(→))|·|\(PA,\s\up6(→))|)=eq \f(6,2\r(2)×2\r(2))=eq \f(3,4).
名師點(diǎn)撥:
1.求異面直線所成角的思路:
(1)選好基底或建立空間直角坐標(biāo)系;
(2)求出兩直線的方向向量v1,v2;
(3)代入公式|cs〈v1,v2〉|=eq \f(|v·v2|,|v1||v2|)求解.
2.兩異面直線所成角的關(guān)注點(diǎn):
兩異面直線所成角的范圍是θ∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))),兩向量的夾角的范圍是[0,π],當(dāng)異面直線的方向向量的夾角為銳角或直角時(shí),就是該異面直線所成的角;當(dāng)異面直線的方向向量的夾角為鈍角時(shí),其補(bǔ)角才是異面直線所成的角.
【變式訓(xùn)練】
(2022·東北三省四市教研聯(lián)合體模擬)已知正方體ABCD-A1B1C1D1,O為底面ABCD的中心,M,N分別為棱A1D1,CC1的中點(diǎn),則異面直線B1M與ON所成角的余弦值為( C )
A.eq \f(\r(5),5) B.eq \f(\r(10),5)
C.eq \f(\r(15),15) D.eq \f(2\r(5),15)
[解析] 解法一:如圖,設(shè)B1M∩A1C1=H,在AA1上取點(diǎn)P,使A1P=eq \f(1,3)AA1,連接PH、AC1、PM,易知PH∥AC1∥ON,∴∠MHP(或其補(bǔ)角)即為B1M與ON所成的角,設(shè)正方體的棱長(zhǎng)為6,則PM=eq \r(13),PH=2eq \r(3),MH=eq \r(5),∴cs∠MHP=eq \f(MH2+PH2-PM2,2PH·MH)=eq \f(-\r(15),15),故選C.
解法二:以D為原點(diǎn)建立如下圖所示的空間直角坐標(biāo)系:設(shè)正方體的棱長(zhǎng)為2,
所以有D(0,0,0),O(1,1,0),B1(2,2,2),M(1,0,2),N(0,2,1),因此eq \(B1M,\s\up6(→))=(-1,-2,0),eq \(ON,\s\up6(→))=(-1,1,1),設(shè)異面直線B1M與ON所成角為α,所以cs α=eq \f(|\(B1M,\s\up6(→))·\(ON,\s\up6(→))|,|\(B1M,\s\up6(→))|·|\(ON,\s\up6(→))|)=eq \f(|?-1?×?-1?+?-2?×1+0×1|,\r(?-1?2+?-2?2+02)·\r(?-1?2+12+12))=eq \f(\r(15),15).故選C.
角度2 線面角
[解析] (1)證明:∵A1C⊥底面ABC,
∴A1C⊥AC,A1C⊥BC.
又∠ACB=90°,
∴A1C、AC、BC兩兩垂直,
∴BC⊥平面ACC1A1.
又BC?平面BCC1B1,
∴平面BCC1B1⊥平面ACC1A1.
又A1到平面BCC1B1的距離為1,AA1∥CC1,
∴A1到CC1的距離等于C到AA1的距離為1,
∴作CH⊥AA1于H,則CH=1.
又AA1=2,A1C⊥AC,∴A1A上的中線為1,
∴H為AA1的中點(diǎn),即CH垂直平分AA1,
∴AC=A1C.
(2)解法一:定義法
連接A1B,由(1)知Rt△ABC≌Rt△A1BC,
∴AB=A1B,連接BH,則BH⊥AA1,
∴BH=2,又AH=1,∴AB=A1B=eq \r(5),
∴cs∠A1AB=eq \f(AH,AB)=eq \f(\r(5),5),
∴AB1=eq \r(AB2+AA\\al(2,1)-2AB·AA1cs?π-∠A1AB?)=eq \r(13).
∴AB1與平面BCC1B1所成角的正弦值為eq \f(1,\r(13))=eq \f(\r(13),13).
解法二:向量法
由(1)及(2)解法一知可建立如圖空間直角坐標(biāo)系,則A(eq \r(2),0,0),A1(0,0,eq \r(2)),Heq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),0,\f(\r(2),2))),
又BC=eq \r(AB2-AC2)=eq \r(3),由eq \(BB1,\s\up6(→))=eq \(AA1,\s\up6(→))可得,B1(-eq \r(2),eq \r(3),eq \r(2)).
又CH⊥AA1,∴CH⊥CC1從而CH⊥平面BCC1B1,
∴平面BCC1B1的法向量為eq \(CH,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),0,\f(\r(2),2))),
又eq \(AB1,\s\up6(→))=(-2eq \r(2),eq \r(3),eq \r(2)),
∴AB1與平面BCC1B1所成角的正弦值為eq \f(|\(CH,\s\up6(→))·\(AB1,\s\up6(→))|,|\(CH,\s\up6(→))|·|\(AB1,\s\up6(→))|)=eq \f(1,\r(13))=eq \f(\r(13),13).
名師點(diǎn)撥:
1.用定義法求線面角的步驟
(1)用定義法或體積法求出斜線上一點(diǎn)到平面的距離h;
(2)求出斜線段的長(zhǎng)度l;
(3)求出線面角正弦sin θ=eq \f(h,l);
(4)求出θ,θ∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))).
2.用向量法求線面角的步驟
【變式訓(xùn)練】
(2023·福建莆田質(zhì)檢)在三棱錐P-ABC中,已知△ABC是邊長(zhǎng)為8的等邊三角形,PA⊥平面ABC,PA=14,則AB與平面PBC所成角的正弦值為( A )
A.eq \f(7\r(183),122) B.eq \f(\r(793),122)
C.eq \f(5\r(183),122) D.eq \f(\r(61),122)
[解析] 解法一:定義法
取BC的中點(diǎn)H,連接AH,PH,由AB=AC知BC⊥AH,又PA⊥平面ABC,∴BC⊥PA,∴BC⊥平面PAH,∴平面PBC⊥平面PAH,作AM⊥PH于M,則AM⊥平面PBC,∴∠ABM即為AB與平面PBC所成的角,又AH=4eq \r(3),PA=14,PA⊥AH,∴PH=2eq \r(61),∴AM=eq \f(PA·AH,PH)=eq \f(14×4\r(3),2\r(61))=eq \f(28\r(183),61),∴sin∠ABM=eq \f(AM,AB)=eq \f(7\r(183),122).故選A.
解法二:向量法
如圖,建立空間直角坐標(biāo)系,則A(0,0,0),P(0,0,14),C(0,8,0),B(4eq \r(3),4,0),∴eq \(AB,\s\up6(→))=(4eq \r(3),4,0),eq \(PC,\s\up6(→))=(0,8,-14),eq \(BC,\s\up6(→))=(-4eq \r(3),4,0),設(shè)平面PBC的法向量為n=(x,y,z),則eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(PC,\s\up6(→))·n=8y-14z=0,,\(BC,\s\up6(→))·n=-4\r(3)x+4y=0,))
取y=7得n=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(7,3)\r(3),7,4)),∴AB與平面PBC所成角的正弦值為eq \f(|\(AB,\s\up6(→))·n|,|\(AB,\s\up6(→))|·|n|)=eq \f(7\r(183),122).故選A.
角度3 二面角
[解析] (1)證明:作PO⊥平面ABCD于O,
∵PA=PB=PC,∴Rt△PAO≌Rt△PBO≌Rt△PCO,
∴OA=OB=OC,即O為△ABC的外心,
又AB⊥BC,∴O為AB的中點(diǎn),
∴PO?平面PAC,
∴平面PAC⊥平面ABCD.
(2)解法一:幾何法
取AB的中點(diǎn)E,連接DE,由AB=2CD知O∈DE,
取OD的中點(diǎn)H,連接QH,則QH∥PO,
∴QH⊥平面ABCD,作HM⊥BC于M,
連接QM,則BC⊥平面QHM,從而B(niǎo)C⊥QM,
∴∠QMH為二面角Q-BC-D的平面角.
設(shè)CD=1,則OC=eq \r(2),PC=AB=2,
∴OP=eq \r(PC2-OC2)=eq \r(2),∴QH=eq \f(\r(2),2),
又HM=CD=1,
∴QM=eq \r(HM2+HQ2)=eq \f(\r(6),2),
∴sin∠QMH=eq \f(HQ,MQ)=eq \f(\r(3),3),
即二面角Q-BC-D的正弦值為eq \f(\r(3),3).
解法二:向量法
由AB=BC,AB⊥BC,
知OB⊥OC,
∴OB、OC、OP兩兩垂直,
如圖建立空間直角坐標(biāo)系
設(shè)CD=1,則B(eq \r(2),0,0),C(0,eq \r(2),0),P(0,0,eq \r(2)),Deq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(2),2),\f(\r(2),2),0)),∴Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(2),4),\f(\r(2),4),\f(\r(2),2))),
∴eq \(BQ,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(5\r(2),4),\f(\r(2),4),\f(\r(2),2))),eq \(BC,\s\up6(→))=(-eq \r(2),eq \r(2),0),
方法①:設(shè)平面BCQ的法向量為n=(x,y,z),
則eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(BQ,\s\up6(→))·n=-\f(5\r(2),4)x+\f(\r(2),4)y+\f(\r(2),2)z=0,,\(BC,\s\up6(→))·n=-\r(2)x+\r(2)y=0,))
取x=1得n=(1,1,2),
又平面ABCD的一個(gè)法向量為m=(0,0,1),
記二面角Q-BC-D為α,則
cs α=eq \f(m·n,|m|·|n|)=eq \f(2,\r(6))=eq \f(\r(6),3),
∴sin α=eq \r(1-cs2α)=eq \f(\r(3),3),
即二面角Q-BC-D的正弦值為eq \f(\r(3),3).
方法②:如圖:
作QH⊥BC于H,則eq \(HQ,\s\up6(→))=eq \(BQ,\s\up6(→))-λeq \(BC,\s\up6(→))
=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(5\r(2),4)+\r(2)λ,\f(\r(2),4)-\r(2)λ,\f(\r(2),2))),
由eq \(HQ,\s\up6(→))⊥eq \(BC,\s\up6(→))即eq \(HQ,\s\up6(→))·eq \(BC,\s\up6(→))=eq \f(5,2)-2λ+eq \f(1,2)-2λ=3-4λ=0,
∴λ=eq \f(3,4),∴eq \(HQ,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(2),2),-\f(\r(2),2),\f(\r(2),2))).
又eq \(CD,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(2),2),-\f(\r(2),2),0)),設(shè)m=(-1,-1,1),n=(-1,-1,0).
記二面角Q-BC-D的大小為α,
則cs α=eq \f(m·n,|m|·|n|)=eq \f(2,\r(3)×\r(2))=eq \f(\r(6),3).
∴sin α=eq \r(1-cs2α)=eq \f(\r(3),3).
名師點(diǎn)撥:求二面角的方法步驟
1.法向量法
(1)建坐標(biāo)系,確定相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo),進(jìn)而確定相關(guān)向量的坐標(biāo);
(2)求法向量——求二面角兩個(gè)面的法向量n1,n2;
(3)用公式——|cs θ|=|cs〈n1,n2〉|=eq \f(|n1·n2|,|n1|·|n2|)(θ為二面角的平面角);
(4)下結(jié)論——結(jié)合圖形確定cs θ(θ∈[0,π])或θ的值.
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小.
如圖AH⊥BC于H,DQ⊥BC于Q,由m·eq \(BC,\s\up6(→))=(eq \(BA,\s\up6(→))-λeq \(BC,\s\up6(→)))·eq \(BC,\s\up6(→))=0得λ=eq \f(\(BA,\s\up6(→))·\(BC,\s\up6(→)),|\(BC,\s\up6(→))|2),進(jìn)而可求得m,同理求出n,則二面角的大小即為m、n所成的角θ,且cs θ=eq \f(m·n,|m|·|n|).(這種方法避免了對(duì)二面角是鈍角還是銳角的判斷)
3.幾何法——通過(guò)找二面角的平面角求解
(1)定義法:在二面角的棱上找一特殊點(diǎn),過(guò)該點(diǎn)在兩個(gè)半平面內(nèi)分別作垂直于棱的射線,如圖(1),∠AOB為二面角α-l-β的平面角.
(2)垂面法:過(guò)棱上任一點(diǎn)作棱的垂直平面,該平面與二面角的兩個(gè)半平面的交線所形成的角即為二面角的平面角,如圖(2),∠AOB為二面角α-l-β的平面角.
(3)垂線法(三垂線定理法):過(guò)二面角的一個(gè)半平面內(nèi)一點(diǎn)作另一個(gè)半平面所在平面的垂線,從垂足出發(fā)向棱引垂線,利用三垂線定理即可找到所求二面角的平面角或其補(bǔ)角,如圖(3),∠ABO為二面角α-l-β的平面角.
注:也可將二面角轉(zhuǎn)化為線面角求解.如圖要求二面角P-AB-C,可作PH⊥AB,則二面角P-AB-C的大小即為PH與平面ABC所成角的大小θ,PH易求,可用體積法求P到平面ABC的距離h,則sin θ=eq \f(h,|PH|).
解題時(shí)注意線面角、二面角與點(diǎn)到平面間距離的聯(lián)系,靈活處理.
【變式訓(xùn)練】
(2024·廣東南粵名校聯(lián)考)三棱柱ABC-A1B1C1中,D是正方形AA1B1B的中心,AA1=eq \r(2),C1D⊥平面AA1B1B,且C1D=1.
(1)M是棱A1C1的中點(diǎn),求證:AC⊥平面AB1M;
(2)求平面AB1M與平面A1BC夾角的大?。?br>[解析] (1)證明:連接AC1,A1D,D是正方形AA1B1B的中心,AA1=eq \r(2),則DA1=1,
又C1D⊥平面AA1B1B,DA1?平面AA1B1B,
∴C1D⊥DA1,又C1D=1,
由勾股定理得C1A1=eq \r(C1D2+A1D2)=eq \r(2),
同理C1B1=eq \r(2),AC1=eq \r(2),
∴△A1B1C1,△A1AC1均為等邊三角形,
又M為A1C1中點(diǎn),
∴A1C1⊥B1M,A1C1⊥AM,B1M∩AM=M,
又∵B1M?平面AB1M,AM?平面AB1M,
∴A1C1⊥平面AB1M,
∵AC∥A1C1,
∴AC⊥平面AB1M.
(2)以D為原點(diǎn),DA,DA1,DC1分別為x,y,z軸正方向,建立空間直角坐標(biāo)系,
B(0,-1,0),A1(0,1,0),C(1,-1,1),C1(0,0,1),
∴eq \(A1B,\s\up6(→))=(0,-2,0),eq \(A1C,\s\up6(→))=(1,-2,1),eq \(A1C1,\s\up6(→))=(0,-1,1),
設(shè)平面A1BC的法向量n=(x,y,z),
則eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(n·\(A1B,\s\up6(→))=-2y=0,,n·\(A1C,\s\up6(→))=x-2y+z=0,))
令x=1得n=(1,0,-1),
由(1)知,平面AB1M的法向量為eq \(A1C1,\s\up6(→)),
設(shè)平面AB1M與平面A1BC的夾角為θ,
則cs θ=|cs〈n,eq \(A1C1,\s\up6(→))〉|=eq \f(|n·\(A1C1,\s\up6(→))|,|n|·|\(A1C1,\s\up6(→))|)=eq \f(|?1,0,-1?·?0,-1,1?|,\r(1+1)×\r(1+1))=eq \f(1,\r(2)·\r(2))=eq \f(1,2),
∵θ∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))),∴θ=60°.
即平面AB1M與平面A1BC的夾角為60°.
這是一份2025版高考數(shù)學(xué)一輪總復(fù)習(xí)考點(diǎn)突破訓(xùn)練題第7章立體幾何第6講空間的角與距離第2課時(shí)綜合問(wèn)題角度2空間中的探究性問(wèn)題,共6頁(yè)。
這是一份2025版高考數(shù)學(xué)一輪總復(fù)習(xí)第7章立體幾何第6講空間的角與距離第1課時(shí)空間的角和距離問(wèn)題提能訓(xùn)練,共18頁(yè)。試卷主要包含了單選題,多選題,填空題,解答題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份2025版高考數(shù)學(xué)一輪總復(fù)習(xí)第7章立體幾何第6講空間的角與距離第2課時(shí)綜合問(wèn)題提能訓(xùn)練,共13頁(yè)。試卷主要包含了單選題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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