一、單選題
1.如圖所示,若正方體 SKIPIF 1 < 0 的棱長(zhǎng)為a,體對(duì)角線 SKIPIF 1 < 0 與 SKIPIF 1 < 0 相交于點(diǎn)O,則有( ).

A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】C
【分析】建立空間直角坐標(biāo)系.利用向量坐標(biāo)運(yùn)算、數(shù)量積運(yùn)算性質(zhì)即可判斷出結(jié)論.
【詳解】如圖所示,以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),以 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 分別為 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 建立空間直角坐標(biāo)系:
由上圖以及已知條件可知,D(0,0,0),A(a,0,0),B(a,a,0),A1(a,0,a),C1(0,a,a),C(0,a,0),O SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 (0,a,0), SKIPIF 1 < 0 (﹣a,a,0), SKIPIF 1 < 0 a2,故A錯(cuò)誤;
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 (﹣a,a,a),所以 SKIPIF 1 < 0 ,故B錯(cuò)誤;
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,故C正確;
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 (﹣a,0,0), SKIPIF 1 < 0 (a,0,a),所以 SKIPIF 1 < 0 ,故D錯(cuò)誤.
故選:C.
2.已知向量 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,若 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 三向量共面,則實(shí)數(shù) SKIPIF 1 < 0 ( )
A. SKIPIF 1 < 0 B.2C. SKIPIF 1 < 0 D.3
【答案】B
【分析】根據(jù)共面向量定理列等式,解方程即可.
【詳解】∵ SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 三向量共面,
∴存在實(shí)數(shù) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,使得 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
故選:B.
3.如圖,在平行六面體 SKIPIF 1 < 0 中,E,F(xiàn)分別在棱 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 上,且 SKIPIF 1 < 0 .記 SKIPIF 1 < 0 ,若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ( )
A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】B
【分析】設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,由空間向量的線性運(yùn)算可得 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,由空間向量基本定理即可求解.
【詳解】設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .故選:B.
4.在我國(guó)古代數(shù)學(xué)名著《九章算術(shù)》中,將底面為直角三角形,且側(cè)棱垂直于底面的棱柱稱為塹堵.已知在塹堵 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,若直線 SKIPIF 1 < 0 與直線 SKIPIF 1 < 0 所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ( )
A. SKIPIF 1 < 0 ?B.2C. SKIPIF 1 < 0 ?D. SKIPIF 1 < 0 ?
【答案】B
【分析】以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量方法求出 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 夾角余弦值即可求出 SKIPIF 1 < 0 豎坐標(biāo),從而得到答案.
【詳解】如圖,以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,
解得 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .故選:B.
二、填空題
5.如圖所示,在四棱錐P-ABCD中, SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 ,若 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,則二面角A-PB-C的余弦值為______.
【答案】 SKIPIF 1 < 0
【分析】建立空間直角坐標(biāo)系,結(jié)合二面角的空間向量的坐標(biāo)計(jì)算公式即可求出結(jié)果.
【詳解】在平面 SKIPIF 1 < 0 內(nèi)作 SKIPIF 1 < 0 ,垂足為 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,得AB⊥AP,CD⊥PD,由于AB//CD ,故AB⊥PD ,從而AB⊥平面PAD,故 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 的方向?yàn)?SKIPIF 1 < 0 軸正方向, SKIPIF 1 < 0 為單位長(zhǎng),建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
設(shè) SKIPIF 1 < 0 是平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量,則
SKIPIF 1 < 0 即 SKIPIF 1 < 0
可取 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè) SKIPIF 1 < 0 是平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量,則
SKIPIF 1 < 0 即 SKIPIF 1 < 0 可取 SKIPIF 1 < 0 .
則 SKIPIF 1 < 0 ,
由圖可知二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角為鈍角,
所以二面角 SKIPIF 1 < 0 的余弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
故答案為: SKIPIF 1 < 0 .
6.下列結(jié)論中,正確的序號(hào)是________.
①若 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 共面,則存在實(shí)數(shù)x、y,使得 SKIPIF 1 < 0 ;
②若 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 不共面,則不存在實(shí)數(shù)x、y,使得 SKIPIF 1 < 0 ;
③若 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 共面, SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 不共線,則存在實(shí)數(shù)x、y,使得 SKIPIF 1 < 0 ;
④若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 共面.
【答案】②③④
【分析】根據(jù)共面向量的基本定理逐一判斷即可.
【詳解】對(duì)于①,若 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 共線,且 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 不共線,
則不存在實(shí)數(shù)x,y,使 SKIPIF 1 < 0 ,故①錯(cuò)誤;
由共面向量的基本定理可知②、③、④均正確,
故正確的個(gè)數(shù)是②③④.
故答案為:②③④.
三、解答題
7.如圖,在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 為線段 SKIPIF 1 < 0 上的一點(diǎn).
(1)求證: SKIPIF 1 < 0 ;
(2)若 SKIPIF 1 < 0 為線段 SKIPIF 1 < 0 上的中點(diǎn),求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角大小.
【答案】(1)證明見解析,(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)由題意可得 SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,所以以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在的直線為 SKIPIF 1 < 0 建立空間直角坐標(biāo)系,利用空間向量證明即可,
(2)先求出平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量,然后利用空間向量的夾角公式求解即可.
(1)
證明:因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,
所以以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在的直線為 SKIPIF 1 < 0 建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0
(2)
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 為線段 SKIPIF 1 < 0 上的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則
SKIPIF 1 < 0 ,令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,則
SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的大小為 SKIPIF 1 < 0 .
8.如圖,已知圓錐的頂點(diǎn)為 SKIPIF 1 < 0 ,點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 是圓 SKIPIF 1 < 0 上一點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 ,點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 是劣弧 SKIPIF 1 < 0 上的一點(diǎn),平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 .
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 .
(2)求點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離.
【答案】(1)證明見解析(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)由線面平行的判定和性質(zhì),推得 SKIPIF 1 < 0 ,再由 SKIPIF 1 < 0 和圓的對(duì)稱性,求出相關(guān)的角的大小,即可得證;
(2)建立空間直角坐標(biāo)系,求出平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量,利用點(diǎn)到平面的距離公式計(jì)算可得所求值.
(1)
證明:因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,且平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 .
(2)
解:如圖,以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),以 SKIPIF 1 < 0 的方向分別為 SKIPIF 1 < 0 軸的正方向,建立空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 ,如圖所示:
則 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 令 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離為 SKIPIF 1 < 0 .
9.如圖所示,已知空間四邊形ABCD的每條邊和對(duì)角線長(zhǎng)都等于1,點(diǎn)E,F(xiàn),G分別是AB,AD,CD的中點(diǎn).設(shè) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
(1)求證EG⊥AB;
(2)求異面直線AG和CE所成角的余弦值.
【答案】(1)證明過程見解析;
(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)作出輔助線,利用三線合一證明出 SKIPIF 1 < 0 ,從而得到線面垂直,進(jìn)而證明線線垂直;
(2)用 SKIPIF 1 < 0 表達(dá) SKIPIF 1 < 0 與 SKIPIF 1 < 0 ,利用空間向量夾角公式求解異面直線AG和CE所成角的余弦值.
(1)
證明:連接DE,
因?yàn)榭臻g四邊形ABCD的每條邊和對(duì)角線長(zhǎng)都等于1,且E,G分別是AB,CD的中點(diǎn),
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 .
(2)
由題意得: SKIPIF 1 < 0 均為等邊三角形且邊長(zhǎng)為1,
所以 SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)異面直線AG和CE所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0
10.如圖,在四棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,底面 SKIPIF 1 < 0 滿足 SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 .
(1)求證: SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值.
【答案】(1)證明見解析
(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)由四棱柱的性質(zhì)得到四邊形 SKIPIF 1 < 0 是平行四邊形,得到 SKIPIF 1 < 0 ,故證明出線面平行;
(2)建立空間直角坐標(biāo)系,利用空間向量求解線面角.
(1)
證明:在四棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,故四邊形 SKIPIF 1 < 0 是平行四邊形
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0
(2)
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 為 SKIPIF 1 < 0 軸, SKIPIF 1 < 0 軸, SKIPIF 1 < 0 軸建立空間直角坐標(biāo)系,
則 SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 即 SKIPIF 1 < 0 令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 .
所以直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值是 SKIPIF 1 < 0 .
一、單選題
1.在棱長(zhǎng)為1的正方體ABCD-A1B1C1D1中,P為正方體內(nèi)一動(dòng)點(diǎn)(包括表面),若 SKIPIF 1 < 0 =x SKIPIF 1 < 0 +y SKIPIF 1 < 0 +z SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 . 則點(diǎn)P所有可能的位置所構(gòu)成的幾何體的體積是( )
A.1B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】D
【分析】利用平面線性規(guī)劃的方法,我們類比推理,可得若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,進(jìn)而確定出滿足條件的 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱錐 SKIPIF 1 < 0 中,代入棱錐體積公式,即可得到答案.
【詳解】解:若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,
若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,
若要同時(shí)滿足 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 點(diǎn)只能再現(xiàn)在三棱錐 SKIPIF 1 < 0 中,
又三棱錐 SKIPIF 1 < 0 的體積 SKIPIF 1 < 0 .
故選:D.
2.如圖,在直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 在棱 SKIPIF 1 < 0 上,點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 在棱 SKIPIF 1 < 0 上.若 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ( )
A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C.1D. SKIPIF 1 < 0
【答案】B
【分析】建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量法可得.
【詳解】以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在直線為 SKIPIF 1 < 0 軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,則 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 .
故選:B
3.有很多立體圖形都體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的對(duì)稱美,其中半正多面體是由兩種或兩種以上的正多邊形圍成的多面體,半正多面體因其最早由阿基米德研究發(fā)現(xiàn),故也被稱作阿基米德體.如圖,這是一個(gè)棱數(shù)為24,棱長(zhǎng)為 SKIPIF 1 < 0 的半正多面體,它的所有頂點(diǎn)都在同一個(gè)正方體的表面上,可以看成是由一個(gè)正方體截去八個(gè)一樣的四面體所得.若點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為線段 SKIPIF 1 < 0 上的動(dòng)點(diǎn),則直線 SKIPIF 1 < 0 與直線 SKIPIF 1 < 0 所成角的余弦值的取值范圍為( )
A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】C
【分析】將半正多面體補(bǔ)成正方體并建立空間直角坐標(biāo)系,確定相關(guān)點(diǎn)坐標(biāo),設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,利用向量夾角的坐標(biāo)表示及二次函數(shù)性質(zhì)求所成角的余弦值的取值范圍.
【詳解】將半正多面體補(bǔ)成正方體,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.
因?yàn)榘胝嗝骟w的棱長(zhǎng)為 SKIPIF 1 < 0 ,故正方體的棱長(zhǎng)為 SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 .
令 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
故直線 SKIPIF 1 < 0 與直線 SKIPIF 1 < 0 所成角的余弦值的取值范圍為 SKIPIF 1 < 0 .
故選:C
4.如圖,在四棱錐 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 平面ABCD, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,已知Q是四邊形ABCD內(nèi)部一點(diǎn)(包括邊界),且二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角大小為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 面積的取值范圍是( )
A. SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 C. SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0
【答案】B
【分析】建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量求得Q運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)而求得 SKIPIF 1 < 0 面積的取值范圍
【詳解】以A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,如圖,
由二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角大小為 SKIPIF 1 < 0 ,可知Q的軌跡是過點(diǎn)D的一條直線,
又Q是四邊形ABCD內(nèi)部一點(diǎn)(包括邊界),則Q的軌跡是過點(diǎn)D的一條線段.
設(shè)Q的軌跡與y軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為 SKIPIF 1 < 0 ,由題意可知 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
易知平面APD的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面PDG的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 是平面PDG的一個(gè)法向量,
則二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角的余弦值為
SKIPIF 1 < 0 ,
解得 SKIPIF 1 < 0 或 SKIPIF 1 < 0 (舍去),
所以Q在DG上運(yùn)動(dòng),所以 SKIPIF 1 < 0 面積的取值范圍為 SKIPIF 1 < 0 .故選:B.
二、填空題
5.化學(xué)中,晶體是由大量微觀物質(zhì)單位(原子、離子、分子等)按一定規(guī)則有序排列的結(jié)構(gòu).構(gòu)成晶體的最基本的幾何單元稱為晶胞.已知鈣、鈦、氧可以形成如圖所示的立方體晶胞(其中Ti原子位于晶胞的中心,Ca原子均在頂點(diǎn)位置,O原子位于棱的中點(diǎn)),則圖中原子連線BF與 SKIPIF 1 < 0 所成角的余弦值為______.
【答案】 SKIPIF 1 < 0
【分析】構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系,確定相關(guān)點(diǎn)坐標(biāo)并求 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 的坐標(biāo),利用空間向量夾角的坐標(biāo)表示求BF與 SKIPIF 1 < 0 所成角的余弦值.
【詳解】如圖示,以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 所在直線分別為x,y,z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,
設(shè)立方體的棱長(zhǎng)為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
SKIPIF 1 < 0 ,
∴原子連線BF與 SKIPIF 1 < 0 所成角的余弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
故答案為: SKIPIF 1 < 0
6.正多面體也稱柏拉圖立體,被譽(yù)為最有規(guī)律的立體結(jié)構(gòu),是所有面都只由一種正多邊形構(gòu)成的多面體(各面都是全等的正多邊形).數(shù)學(xué)家已經(jīng)證明世界上只存在五種柏拉圖立體,即正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體.已知一個(gè)正八面體ABCDEF的棱長(zhǎng)都是2(如圖),P,Q分別為棱AB,AD的中點(diǎn),則 SKIPIF 1 < 0 ________.
【答案】1
【分析】根據(jù)給定條件,利用空間向量的一個(gè)基底表示 SKIPIF 1 < 0 ,再利用數(shù)量積運(yùn)算律計(jì)算作答.
【詳解】正八面體ABCDEF中, SKIPIF 1 < 0 不共面,而P,Q分別為棱AB,AD的中點(diǎn),
有 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 .
故答案為:1
三、解答題
7.如圖所示,在四棱錐 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
(1)求證:平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,直線PB與平面PCD所成的角為30°,求線段AB的長(zhǎng).
【答案】(1)證明見解析(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)根據(jù)線面垂直的性質(zhì)與判定證明 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 即可;
(2)以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,再根據(jù)直線PB與平面PCD所成的角為30°,結(jié)合線面角的向量求法求解即可.
(1)
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,又 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0
(2)
作 SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 ,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .
由(1)可得 SKIPIF 1 < 0 兩兩互相垂直,故以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,依題意有 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
設(shè)平面PCD的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,設(shè) SKIPIF 1 < 0 則 SKIPIF 1 < 0 ,
由 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 或 SKIPIF 1 < 0 (舍去).所以 SKIPIF 1 < 0 .
8.如圖,在四棱錐P-ABCD中,底面ABCD為平行四邊形,PA⊥平面ABCD,M為PC中點(diǎn).
(1)求證:PA∥平面MBD;
(2)若AB=AD=PA=2,∠BAD=120°,求二面角B-AM-D的正弦值.
【答案】(1)證明見解析(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)根據(jù)線面平行的判定定理,結(jié)合中位線的性質(zhì),可得答案;
(2)根據(jù)題意,建立空間直角坐標(biāo)系,得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo),求的兩平面的法向量,由向量夾角的計(jì)算公式,可得答案.
(1)連接AC交BD于點(diǎn)O,連接OM,可知O為AC中點(diǎn),M為PC中點(diǎn),所以O(shè)M∥PA,
且 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以PA∥平面MBD.
(2)由題意可得平行四邊形ABCD為菱形,建立如圖坐標(biāo)系,如下圖:
在菱形ABCD, SKIPIF 1 < 0 AB=AD= 2,∠BAD=120°, SKIPIF 1 < 0 ,
所以: SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面MBA的法向量 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 則面MBA的法向量 SKIPIF 1 < 0 ,
同理可得:平面MDA的法向量 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0
故二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
9.如圖所示,多面體 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 ,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 ;
(2)若 SKIPIF 1 < 0 ,求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值.
【答案】(1)證明見解析;(2) SKIPIF 1 < 0 .
【分析】(1)由題意可得四邊形 SKIPIF 1 < 0 為平行四邊形,利用 SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 ,由 SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 ,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,即可證明 SKIPIF 1 < 0 .
(2)由題意可證明故 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,建立坐標(biāo)系,利用空間向量求解即可.
(1)
證明:∵ SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0 ,所以四邊形 SKIPIF 1 < 0 為平行四邊形,
所以 SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 ,
又平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,且平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 .
(2)
解:連接 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ∥ SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
如圖所示建系, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,
直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角正弦值為:
SKIPIF 1 < 0 .
10.如圖,在四棱錐 SKIPIF 1 < 0 中,底面 SKIPIF 1 < 0 為菱形, SKIPIF 1 < 0 .
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 為等腰三角形.
(2)若平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,求二面角 SKIPIF 1 < 0 的余弦值的取值范圍.
【答案】(1)證明見解析(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 ,由題意可得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,根據(jù)線面垂直的判定定理可得 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,再由線面垂直的性質(zhì)定理可得答案;
(2)設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在直線為 SKIPIF 1 < 0 軸建立空間直角坐標(biāo)系,求出平面 SKIPIF 1 < 0 、平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量,由二面角的向量求法和 SKIPIF 1 < 0 的范圍可得答案.
(1)
如圖,取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)樗倪呅?SKIPIF 1 < 0 為菱形, SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 為等邊三角形,則 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 為等腰三角形;
(2)
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在直線為 SKIPIF 1 < 0 軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
二面角 SKIPIF 1 < 0 的大小等于二面角 SKIPIF 1 < 0 與二面角 SKIPIF 1 < 0 的大小之和,
因?yàn)槎娼?SKIPIF 1 < 0 為直角,所以二面角 SKIPIF 1 < 0 為鈍角,
故二面角 SKIPIF 1 < 0 的余弦值的取值范圍為 SKIPIF 1 < 0 .
11.如圖多面體 SKIPIF 1 < 0 中,四邊形 SKIPIF 1 < 0 是菱形, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
(1)證明:平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)在棱 SKIPIF 1 < 0 上有一點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,使得平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 的夾角為 SKIPIF 1 < 0 ,求點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離.
【答案】(1)證明見解析(2) SKIPIF 1 < 0
【分析】(1)取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,證明 SKIPIF 1 < 0 ,利用 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,證明 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,從而平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)建立平面直角坐標(biāo)系,設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,求出二面角,再求得 SKIPIF 1 < 0 的值,即可得到 SKIPIF 1 < 0 的坐標(biāo),再利用空間向量法求出點(diǎn)到面的距離.
(1)
證明:取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 是菱形,所以 SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 是 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),
所以 SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0 ,又 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0 ,所以四邊形 SKIPIF 1 < 0 是平行四邊形,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)
解:取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,由四邊形 SKIPIF 1 < 0 是菱形, SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 是正三角形, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)軸建立空間直角坐標(biāo)系,
設(shè)在棱 SKIPIF 1 < 0 上存在點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 使得平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 的夾角為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
則設(shè) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,令 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
得 SKIPIF 1 < 0
平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量可以為 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 ,
所以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離 SKIPIF 1 < 0 .
一、解答題
1.(2022·天津·高考真題)直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,D為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),E為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),F(xiàn)為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn).
(1)求證: SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值;
(3)求平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成二面角的余弦值.
【解析】(1)證明:在直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0
以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 所在直線分別為 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 軸建立如下圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
則 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
易知平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
(2)
解: SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
取 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
因此,直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 夾角的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
(3)
解: SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
取 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
因此,平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 夾角的余弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
2.(2022·全國(guó)·高考真題(理))如圖,四面體 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,E為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn).
(1)證明:平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,點(diǎn)F在 SKIPIF 1 < 0 上,當(dāng) SKIPIF 1 < 0 的面積最小時(shí),求 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角的正弦值.
【解析】(1)因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,E為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 ;
在 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 中,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,又因?yàn)镋為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 ;
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
(2)
連接 SKIPIF 1 < 0 ,由(1)知, SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
當(dāng) SKIPIF 1 < 0 時(shí), SKIPIF 1 < 0 最小,即 SKIPIF 1 < 0 的面積最小.
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 是等邊三角形,
因?yàn)镋為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
在 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè) SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
3.(2022·浙江·高考真題)如圖,已知 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 都是直角梯形, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角為 SKIPIF 1 < 0 .設(shè)M,N分別為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn).
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值.
【解析】(1)過點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 分別做直線 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 的垂線 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 并分別交于點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,由平面知識(shí)易得 SKIPIF 1 < 0 ,再根據(jù)二面角的定義可知, SKIPIF 1 < 0 ,由此可知, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,從而可證得 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,即得 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)由(1)可知 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,過點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 做 SKIPIF 1 < 0 平行線 SKIPIF 1 < 0 ,所以可以以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 所在直線分別為 SKIPIF 1 < 0 軸、 SKIPIF 1 < 0 軸、 SKIPIF 1 < 0 軸建立空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 ,求出平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量,以及 SKIPIF 1 < 0 ,即可利用線面角的向量公式解出.
(1)
過點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 分別做直線 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 的垂線 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 并分別交于點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 .
∵四邊形 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 都是直角梯形, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,由平面幾何知識(shí)易知, SKIPIF 1 < 0 ,則四邊形 SKIPIF 1 < 0 和四邊形 SKIPIF 1 < 0 是矩形,∴在Rt SKIPIF 1 < 0 和Rt SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
∵ SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 是二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角,則 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 是正三角形,由 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,得平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
∵ SKIPIF 1 < 0 是 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 ,∴ SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
(2)
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,過點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 做 SKIPIF 1 < 0 平行線 SKIPIF 1 < 0 ,所以以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 所在直線分別為 SKIPIF 1 < 0 軸、 SKIPIF 1 < 0 軸、 SKIPIF 1 < 0 軸建立空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0
由 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,
∴ SKIPIF 1 < 0 .
4.(2022·全國(guó)·高考真題)如圖, SKIPIF 1 < 0 是三棱錐 SKIPIF 1 < 0 的高, SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,E是 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn).
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)若 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,求二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值.
【解析】(1)連接 SKIPIF 1 < 0 并延長(zhǎng)交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,根據(jù)三角形全等得到 SKIPIF 1 < 0 ,再根據(jù)直角三角形的性質(zhì)得到 SKIPIF 1 < 0 ,即可得到 SKIPIF 1 < 0 為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn)從而得到 SKIPIF 1 < 0 ,即可得證;
(2)建立適當(dāng)?shù)目臻g直角坐標(biāo)系,利用空間向量法求出二面角的余弦的絕對(duì)值,再根據(jù)同角三角函數(shù)的基本關(guān)系計(jì)算可得.
(1)
證明:連接 SKIPIF 1 < 0 并延長(zhǎng)交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 是三棱錐 SKIPIF 1 < 0 的高,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),又 SKIPIF 1 < 0 為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0
(2)
解:過點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 作 SKIPIF 1 < 0 ,如圖建立平面直角坐標(biāo)系,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ;
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ;
所以 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè)二面角 SKIPIF 1 < 0 的大小為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,即二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
5.(2022·全國(guó)·高考真題(理))在四棱錐 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 .
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求PD與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角的正弦值.
【解析】(1)證明:在四邊形 SKIPIF 1 < 0 中,作 SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以四邊形 SKIPIF 1 < 0 為等腰梯形,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)
解:如圖,以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,
SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量 SKIPIF 1 < 0 ,
則有 SKIPIF 1 < 0 ,可取 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
6.(2022·北京·高考真題)如圖,在三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,側(cè)面 SKIPIF 1 < 0 為正方形,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,M,N分別為 SKIPIF 1 < 0 ,AC的中點(diǎn).
(1)求證: SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)再?gòu)臈l件①、條件②這兩個(gè)條件中選擇一個(gè)作為已知,求直線AB與平面BMN所成角的正弦值.
條件①: SKIPIF 1 < 0 ;
條件②: SKIPIF 1 < 0 .
注:如果選擇條件①和條件②分別解答,按第一個(gè)解答計(jì)分.
【解析】(1)取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn)為 SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 ,
由三棱柱 SKIPIF 1 < 0 可得四邊形 SKIPIF 1 < 0 為平行四邊形,
而 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,同理可得 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
故平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
(2)
因?yàn)閭?cè)面 SKIPIF 1 < 0 為正方形,故 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
若選①,則 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
故可建立如所示的空間直角坐標(biāo)系,則 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,從而 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角為 SKIPIF 1 < 0 ,則
SKIPIF 1 < 0 .
若選②,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 ,而 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
故可建立如所示的空間直角坐標(biāo)系,則 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,從而 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成的角為 SKIPIF 1 < 0 ,則
SKIPIF 1 < 0 .
7.(2022·全國(guó)·高考真題)如圖,直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 的體積為4, SKIPIF 1 < 0 的面積為 SKIPIF 1 < 0 .
(1)求A到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離;
(2)設(shè)D為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 ,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,求二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值.
【解析】(1)在直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,設(shè)點(diǎn)A到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離為h,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
解得 SKIPIF 1 < 0 ,
所以點(diǎn)A到平面 SKIPIF 1 < 0 的距離為 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn)E,連接AE,如圖,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
又平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
且 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
在直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
由 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 可得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 且相交,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直,以B為原點(diǎn),建立空間直角坐標(biāo)系,如圖,
由(1)得 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
可取 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
可取 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
所以二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
8.(2021·天津·高考真題)如圖,在棱長(zhǎng)為2的正方體 SKIPIF 1 < 0 中,E為棱BC的中點(diǎn),F(xiàn)為棱CD的中點(diǎn).
(I)求證: SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(II)求直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角的正弦值.
(III)求二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值.
【解析】(I)以 SKIPIF 1 < 0 為原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 分別為 SKIPIF 1 < 0 軸,建立如圖空間直角坐標(biāo)系,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)镋為棱BC的中點(diǎn),F(xiàn)為棱CD的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(II)由(1)得, SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)直線 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成角為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ;
(III)由正方體的特征可得,平面 SKIPIF 1 < 0 的一個(gè)法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 ,
所以二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
9.(2021·全國(guó)·高考真題)在四棱錐 SKIPIF 1 < 0 中,底面 SKIPIF 1 < 0 是正方形,若 SKIPIF 1 < 0 .
(1)證明:平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角的余弦值.
【解析】
(1)取 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn)為 SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,
而 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .
在正方形 SKIPIF 1 < 0 中,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 為直角三角形且 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
(2)在平面 SKIPIF 1 < 0 內(nèi),過 SKIPIF 1 < 0 作 SKIPIF 1 < 0 ,交 SKIPIF 1 < 0 于 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
結(jié)合(1)中的 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,故可建如圖所示的空間坐標(biāo)系.
則 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 即 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 .
而平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .
二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角為銳角,故其余弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
10.(2021·全國(guó)·高考真題(理))如圖,四棱錐 SKIPIF 1 < 0 的底面是矩形, SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),且 SKIPIF 1 < 0 .
(1)求 SKIPIF 1 < 0 ;
(2)求二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值.
【解析】(1)[方法一]:空間坐標(biāo)系+空間向量法
SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,四邊形 SKIPIF 1 < 0 為矩形,不妨以點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn), SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 所在直線分別為 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 軸建立如下圖所示的空間直角坐標(biāo)系 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 ;
[方法二]【最優(yōu)解】:幾何法+相似三角形法
如圖,連結(jié) SKIPIF 1 < 0 .因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 ,且 SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
又 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
從而 SKIPIF 1 < 0 .
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 ,于是 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 .所以 SKIPIF 1 < 0 .
[方法三]:幾何法+三角形面積法
如圖,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn)N.
由[方法二]知 SKIPIF 1 < 0 .
在矩形 SKIPIF 1 < 0 中,有 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 .
令 SKIPIF 1 < 0 ,因?yàn)镸為 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
由 SKIPIF 1 < 0 ,得 SKIPIF 1 < 0 ,解得 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
(2)[方法一]【最優(yōu)解】:空間坐標(biāo)系+空間向量法
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
由 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
由 SKIPIF 1 < 0 ,取 SKIPIF 1 < 0 ,可得 SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 ,
所以, SKIPIF 1 < 0 ,
因此,二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
[方法二]:構(gòu)造長(zhǎng)方體法+等體積法
如圖,構(gòu)造長(zhǎng)方體 SKIPIF 1 < 0 ,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 ,交點(diǎn)記為H,由于 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .過H作 SKIPIF 1 < 0 的垂線,垂足記為G.
聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 ,由三垂線定理可知 SKIPIF 1 < 0 ,
故 SKIPIF 1 < 0 為二面角 SKIPIF 1 < 0 的平面角.
易證四邊形 SKIPIF 1 < 0 是邊長(zhǎng)為 SKIPIF 1 < 0 的正方形,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
SKIPIF 1 < 0 ,
由等積法解得 SKIPIF 1 < 0 .
在 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,由勾股定理求得 SKIPIF 1 < 0 .
所以, SKIPIF 1 < 0 ,即二面角 SKIPIF 1 < 0 的正弦值為 SKIPIF 1 < 0 .
11.(2021·全國(guó)·高考真題(理))已知直三棱柱 SKIPIF 1 < 0 中,側(cè)面 SKIPIF 1 < 0 為正方形, SKIPIF 1 < 0 ,E,F(xiàn)分別為 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),D為棱 SKIPIF 1 < 0 上的點(diǎn). SKIPIF 1 < 0
(1)證明: SKIPIF 1 < 0 ;
(2)當(dāng) SKIPIF 1 < 0 為何值時(shí),面 SKIPIF 1 < 0 與面 SKIPIF 1 < 0 所成的二面角的正弦值最小?
【解析】(1)[方法一]:幾何法
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,構(gòu)造正方體 SKIPIF 1 < 0 ,如圖所示,
過E作 SKIPIF 1 < 0 的平行線分別與 SKIPIF 1 < 0 交于其中點(diǎn) SKIPIF 1 < 0 ,連接 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)镋,F(xiàn)分別為 SKIPIF 1 < 0 和 SKIPIF 1 < 0 的中點(diǎn),所以 SKIPIF 1 < 0 是BC的中點(diǎn),
易證 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 .
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
又因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
[方法二] 【最優(yōu)解】:向量法
因?yàn)槿庵?SKIPIF 1 < 0 是直三棱柱, SKIPIF 1 < 0 底面 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,又 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .所以 SKIPIF 1 < 0 兩兩垂直.
以 SKIPIF 1 < 0 為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以 SKIPIF 1 < 0 所在直線為 SKIPIF 1 < 0 軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖.
SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 .
由題設(shè) SKIPIF 1 < 0 ( SKIPIF 1 < 0 ).
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
[方法三]:因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
(2)[方法一]【最優(yōu)解】:向量法
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 ,
所以 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 .
令 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0
因?yàn)槠矫?SKIPIF 1 < 0 的法向量為 SKIPIF 1 < 0 ,
設(shè)平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 的二面角的平面角為 SKIPIF 1 < 0 ,
則 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 .
當(dāng) SKIPIF 1 < 0 時(shí), SKIPIF 1 < 0 取最小值為 SKIPIF 1 < 0 ,
此時(shí) SKIPIF 1 < 0 取最大值為 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 ,此時(shí) SKIPIF 1 < 0 .
[方法二] :幾何法
如圖所示,延長(zhǎng) SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 的延長(zhǎng)線于點(diǎn)S,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn)T,則平面 SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 .
作 SKIPIF 1 < 0 ,垂足為H,因?yàn)?SKIPIF 1 < 0 平面 SKIPIF 1 < 0 ,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 為平面 SKIPIF 1 < 0 與平面 SKIPIF 1 < 0 所成二面角的平面角.
設(shè) SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,過 SKIPIF 1 < 0 作 SKIPIF 1 < 0 交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn)G.
由 SKIPIF 1 < 0 得 SKIPIF 1 < 0 .
又 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
又 SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,所以 SKIPIF 1 < 0 .
所以 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 .
則 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 ,
所以,當(dāng) SKIPIF 1 < 0 時(shí), SKIPIF 1 < 0 .
[方法三]:投影法
如圖,聯(lián)結(jié) SKIPIF 1 < 0 ,
SKIPIF 1 < 0 在平面 SKIPIF 1 < 0 的投影為 SKIPIF 1 < 0 ,記面 SKIPIF 1 < 0 與面 SKIPIF 1 < 0 所成的二面角的平面角為 SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 .
設(shè) SKIPIF 1 < 0 ,在 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 .
在 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 ,過D作 SKIPIF 1 < 0 的平行線交 SKIPIF 1 < 0 于點(diǎn)Q.
在 SKIPIF 1 < 0 中, SKIPIF 1 < 0 .
在 SKIPIF 1 < 0 中,由余弦定理得 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,
當(dāng) SKIPIF 1 < 0 ,即 SKIPIF 1 < 0 ,面 SKIPIF 1 < 0 與面 SKIPIF 1 < 0 所成的二面角的正弦值最小,最小值為 SKIPIF 1 < 0 .

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