核心考向突破 考向一 利用空間向量證明平行、垂直                      1 (2019·南京模擬)如圖,在四棱錐PABCD中,PC平面ABCD,PC2,在四邊形ABCD中,ABCBCD90°AB4,CD1,點(diǎn)MPB上,PB4PM,PB與平面ABCD所成的角為30°.求證:(1)CM平面PAD;(2)平面PAB平面PAD.證明 以點(diǎn)C為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以CB,CDCP所在的直線為x軸、y軸、z軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系Cxyz.PC平面ABCD,∴∠PBCPB與平面ABCD所成的角.∴∠PBC30°.PC2BC2,PB4.D(0,1,0),B(20,0),A(2,4,0),P(0,0,2),M,(0,-1,2),(2,3,0),.(1)設(shè)n(xy,z)為平面PAD的一個(gè)法向量,y2,得n(,2,1)n·=-×2×01×0,n.CM?平面PAD,CM平面PAD.(2)如圖,取AP的中點(diǎn)E,連接BE,E(,2,1),(2,1)PBAB,BEPA.·(,2,1)·(23,0)0,,BEDA.PADAA,BE平面PAD.BE?平面PAB平面PAB平面PAD. 1用向量法證平行問(wèn)題的類型及常用方法線線平行證明兩直線的方向向量共線線面平行證明該直線的方向向量與平面的某一法向量垂直證明該直線的方向向量與平面內(nèi)某直線的方向向量平行證明該直線的方向向量可以用平面內(nèi)的兩個(gè)不共線的向量表示面面平行證明兩平面的法向量平行(即為共線向量)轉(zhuǎn)化為線面平行、線線平行問(wèn)題 2利用向量法證垂直問(wèn)題的類型及常用方法線線垂直問(wèn)題證明兩直線所在的方向向量互相垂直,即證它們的數(shù)量積為零線面垂直問(wèn)題直線的方向向量與平面的法向量共線,或利用線面垂直的判定定理轉(zhuǎn)化為證明線線垂直面面垂直問(wèn)題兩個(gè)平面的法向量垂直,或利用面面垂直的判定定理轉(zhuǎn)化為證明線面垂直  [即時(shí)訓(xùn)練] 1.(2019·廣東深圳模擬)如圖所示,在直三棱柱ABCA1B1C1中,側(cè)面AA1C1C和側(cè)面AA1B1B都是正方形且互相垂直,MAA1的中點(diǎn),NBC1的中點(diǎn).求證:(1)MN平面A1B1C1(2)平面MBC1平面BB1C1C.證明 由題意知AA1,ABAC兩兩垂直,以A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.不妨設(shè)正方形AA1C1C的邊長(zhǎng)為2,則A(0,0,0),A1(2,0,0),B(0,2,0),B1(2,2,0),C(0,0,2),C1(2,0,2)M(1,0,0),N(1,1,1)(1)因?yàn)閹缀误w是直三棱柱,所以側(cè)棱AA1底面A1B1C1.因?yàn)?/span>(2,0,0),(0,1,1),所以·0,即.因?yàn)?/span>MN?平面A1B1C1,MN平面A1B1C1.(2)設(shè)平面MBC1與平面BB1C1C的法向量分別為n1(x1,y1,z1)n2(x2,y2,z2)因?yàn)?/span>(1,2,0),(1,0,2)所以x12,則平面MBC1的一個(gè)法向量為n1(2,1,-1).同理可得平面BB1C1C的一個(gè)法向量為n2(0,1,1).因?yàn)?/span>n1·n22×01×1(1)×10,所以n1n2,所以平面MBC1平面BB1C1C.精準(zhǔn)設(shè)計(jì)考向,多角度探究突破考向二 利用空間向量求空間角角度1  求異面直線所成的角2 (2020·安徽合肥笫一次質(zhì)檢)如圖,在邊長(zhǎng)為1的菱形ABCD中,DAB60°,沿BDABD翻折,得到三棱錐ABCD,則當(dāng)三棱錐ABCD的體積最大時(shí),異面直線ADBC所成角的余弦值為(  )A.   B.  C.   D.答案 D解析 當(dāng)三棱錐ABCD的體積最大時(shí),平面ADB平面BDC在邊長(zhǎng)為1的菱形ABCD中,DAB60°,BD1,取DB的中點(diǎn)O,連接AO,OC,則AO平面BDC,OC平面ADB,以O為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以OBOC,OA所在直線為x,yz軸,建立空間直角坐標(biāo)系,則D,AB,C,,,設(shè)異面直線ADBC所成的角為θ,cosθ,即異面直線ADBC所成角的余弦值為,故選D.  (1)求異面直線所成角的思路選好基底或建立空間直角坐標(biāo)系;求出兩直線的方向向量v1,v2代入公式|cosv1,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(0°,90°],兩向量的夾角α的范圍是[0°,180°],當(dāng)異面直線的方向向量的夾角為銳角或直角時(shí),該角就是異面直線的夾角;當(dāng)異面直線的方向向量的夾角為鈍角時(shí),其補(bǔ)角才是異面直線的夾角.  [即時(shí)訓(xùn)練] 2.(2019·廣西八市4月聯(lián)合調(diào)研)在直三棱柱ABCA1B1C1中,AC3,BC3,AB3,AA14,則異面直線A1CBC1所成角的余弦值為________答案  解析 因?yàn)?/span>AC3,BC3,AB3,所以C為直角,又CC1平面ABC,則CA,CB,CC1兩兩垂直,以C點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以CA,CB,CC1所在的直線分別為x軸,y軸,z軸,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,則C(0,0,0),C1(0,0,4),A1(3,0,4),B(0,3,0),所以(3,0,-4),(0,-3,4),設(shè)異面直線A1CBC1所成的角為θ,則cosθ.角度2  求直線與平面所成的角   3 (2019·浙江高考)如圖,已知三棱柱ABCA1B1C1,平面A1ACC1平面ABC,ABC90°BAC30°,A1AA1CAC,E,F分別是AC,A1B1的中點(diǎn).(1)證明:EFBC;(2)求直線EF與平面A1BC所成角的余弦值.解 解法一:(1)證明:如圖1,連接A1E.因?yàn)?/span>A1AA1C,EAC的中點(diǎn),所以A1EAC. 又因?yàn)槠矫?/span>A1ACC1平面ABC,A1E?平面A1ACC1,平面A1ACC1平面ABCAC,所以A1E平面ABC,A1EBC.又因?yàn)?/span>A1FAB,ABC90°,故BCA1F.又因?yàn)?/span>A1EA1FA1,所以BC平面A1EF.因?yàn)?/span>EF?平面A1EF,所以EFBC.(2)如圖1,取BC的中點(diǎn)G,連接EG,GF,則四邊形EGFA1是平行四邊形.由于A1E平面ABC,故A1EEG所以平行四邊形EGFA1為矩形.(1),得BC平面EGFA1,所以平面A1BC平面EGFA1所以EF在平面A1BC上的射影在直線A1G上.連接A1GEF于點(diǎn)O,EOG是直線EF與平面A1BC所成的角(或其補(bǔ)角)不妨設(shè)AC4,則在RtA1EG中,A1E2,EG.由于OA1G的中點(diǎn),故EOOG所以cosEOG.因此,直線EF與平面A1BC所成角的余弦值是.解法二:(1)證明:連接A1E.因?yàn)?/span>A1AA1CEAC的中點(diǎn),所以A1EAC.又因?yàn)槠矫?/span>A1ACC1平面ABC,A1E?平面A1ACC1,平面A1ACC1平面ABCAC,所以A1E平面ABC.如圖2,以點(diǎn)E為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以射線EC,EA1y,z軸的正半軸,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系Exyz.不妨設(shè)AC4,則E(0,0,0)A1(0,0,2),B(1,0),B1(,3,2),FC(0,2,0)因此,(,1,0)·0,得EFBC.(2)(1)可得(,1,0),(0,2,-2)設(shè)平面A1BC的法向量為n(x,yz)n(1, ,1),設(shè)直線EF與平面A1BC所成的角為θ,sinθ|cosn|,所以cosθ.因此,直線EF與平面A1BC所成角的余弦值是.利用向量法求線面角的方法(1)分別求出斜線和它在平面內(nèi)的射影直線的方向向量,轉(zhuǎn)化為求兩個(gè)方向向量的夾角(或其補(bǔ)角) (2)通過(guò)平面的法向量來(lái)求,即求出斜線的方向向量與平面的法向量所夾的銳角,取其余角就是斜線與平面所成的角. 提醒:在求平面的法向量時(shí),若能找出平面的垂線,則在垂線上取兩個(gè)點(diǎn)可構(gòu)成一個(gè)法向量. [即時(shí)訓(xùn)練] 3(2020·鄭州一中測(cè)試)在如圖所示的多面體中,四邊形ABCD是平行四邊形,四邊形BDEF是矩形,ED平面ABCD.ABD30°,AB2AD.(1)求證:平面BDEF平面ADE;(2)EDBD,求直線AF與平面AEC所成角的正弦值.解 (1)證明:在ABD中,ABD30°,AB2AD由余弦定理,得BDAD從而BD2AD2AB2,故BDAD,所以ABD為直角三角形且ADB90°.因?yàn)?/span>DE平面ABCDBD?平面ABCD,所以DEBD.又因?yàn)?/span>ADDED.所以BD平面ADE.因?yàn)?/span>BD?平面BDEF,所以平面BDEF平面ADE.(2)(1)可得,在RtABD中,BAD60°,BDAD,又由EDBD,設(shè)AD1,則BDED. 因?yàn)?/span>DE平面ABCD,BDAD,所以以點(diǎn)D為坐標(biāo)原點(diǎn),DADB,DE所在直線分別為x軸,y軸,z軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示.A(1,0,0)C(1,0),E(0,0),F(0,),所以(1,0,).(2,,0)設(shè)平面AEC的法向量為n(x,y,z),z1,得n(,2,1)為平面AEC的一個(gè)法向量.因?yàn)?/span>(1,),所以cosn〉=,所以直線AF與平面AEC所成角的正弦值為.角度3  求二面角 4 (2019·全國(guó)卷)如圖,直四棱柱ABCDA1B1C1D1的底面是菱形,AA14AB2,BAD60°E,M,N分別是BC,BB1A1D的中點(diǎn).(1)證明:MN平面C1DE;(2)求二面角AMA1N的正弦值.  解 (1)證明:如圖,連接B1C,ME.因?yàn)?/span>ME分別為BB1,BC的中點(diǎn),所以MEB1C,且MEB1C.又因?yàn)?/span>NA1D的中點(diǎn),所以NDA1D.由題設(shè)知A1B1DC,可得B1CA1D,故MEND因此四邊形MNDE為平行四邊形,所以MNED.因?yàn)?/span>MN?平面C1DEED?平面C1DE,所以MN平面C1DE.(2)由已知可得DEDA,以D為坐標(biāo)原點(diǎn),的方向?yàn)?/span>x軸正方向,D的方向?yàn)?/span>y軸正方向,的方向?yàn)?/span>z軸正方向,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系Dxyz,A(2,0,0),A1(2,0,4),M(1,2),N(1,0,2)(0,0,-4),(1,,-2),(1,0,-2),(0,-,0)設(shè)m(xy,z)為平面A1MA的法向量,所以可取m(,1,0)設(shè)n(p,q,r)為平面A1MN的法向量,所以可取n(2,0,-1)于是cosm,n〉=,所以二面角AMA1N的正弦值為. 利用向量法確定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?。?/span> (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)向量夾角的大小就是二面角的大小. [即時(shí)訓(xùn)練] 4.(2019·全國(guó)卷)如圖,長(zhǎng)方體ABCDA1B1C1D1的底面ABCD是正方形,點(diǎn)E在棱AA1上,BEEC1.(1)證明:BE平面EB1C1;(2)AEA1E,求二面角BECC1的正弦值.解 (1)證明:由已知,得B1C1平面ABB1A1BE?平面ABB1A1,故B1C1BE.又因?yàn)?/span>BEEC1,B1C1EC1C1,所以BE平面EB1C1.(2)(1)BEB190°.由題設(shè)知RtABERtA1B1E,所以AEB45°,故AEAB,AA12AB.D為坐標(biāo)原點(diǎn),的方向?yàn)?/span>x軸正方向,的方向?yàn)?/span>y軸正方向,的方向?yàn)?/span>z軸正方向,||為單位長(zhǎng)度,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系Dxyz,C(0,1,0),B(1,1,0),C1(0,1,2),E(1,0,1),(1,0,0)(1,-11),CC1(0,0,2)設(shè)平面EBC的法向量為n(x1,y1z1),所以可取n(0,-1,-1)設(shè)平面ECC1的法向量為m(x2,y2z2),則所以可取m(1,1,0)于是cosn,m=-.所以二面角BECC1的正弦值為.考向三 利用空間向量求空間距離(選學(xué))5 如圖,三棱柱ABCA1B1C1中,CC1平面ABC,ACBCAA1D是棱AA1的中點(diǎn),DC1BD.(1)證明:DC1BC;(2)設(shè)AA12,A1B1的中點(diǎn)為P,求點(diǎn)P到平面BDC1的距離.解 (1)證明:由題設(shè)知,三棱柱的側(cè)面為矩形.由于DAA1的中點(diǎn),故DCDC1.又由ACAA1可得DCDC2CC,所以DC1DC.又因?yàn)?/span>DC1BDDCBDD,所以DC1平面BCD.因?yàn)?/span>BC?平面BCD,所以DC1BC.(2)(1)BCDC1,且BCCC1DC1CC1C1,則BC平面ACC1A1,所以CA,CBCC1兩兩垂直.C為坐標(biāo)原點(diǎn),的方向?yàn)?/span>x軸的正方向,C的方向?yàn)?/span>y軸的正方向,的方向?yàn)?/span>z軸的正方向,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系Cxyz.由題意知B(0,1,0)D(1,0,1),C1(0,0,2)B1(0,1,2),P,則(1,-1,1)(1,0,1),.設(shè)m(x,y,z)是平面BDC1的法向量,可取m(1,2,1)設(shè)點(diǎn)P到平面BDC1的距離為d,則d. 求平面α外一點(diǎn)P到平面α的距離的步驟(1)求平面α的法向量n. (2)在平面α內(nèi)取一點(diǎn)A,確定向量的坐標(biāo). (3)代入公式d求解. [即時(shí)訓(xùn)練] 5.如圖,在多面體ABCDEF中,底面ABCD是邊長(zhǎng)為2的菱形,BAD60°,四邊形BDEF是矩形,平面BDEF平面ABCD,DE2,M為線段BF的中點(diǎn).(1)M到平面DEC的距離及三棱錐MCDE的體積;(2)求證:DM平面ACE.解 (1)設(shè)ACBDO,以O為坐標(biāo)原點(diǎn),OBx軸,OCy軸,過(guò)O作平面ABCD的垂線為z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,C(0,0),D(1,0,0),E(1,0,2)M(1,0,1),(0,0,2)(1,,0)(2,0,1),·0,DEDCSCDEDE·DC×2×22,設(shè)平面DEC的法向量n(x,y,z),x,得n(,-1,0),M到平面DEC的距離h,三棱錐MCDE的體積VSCDE×h×2×.(2)證明:A(0,-,0),(0,2,0),(1,2),·0,·=-220,ACDM,AEDM,ACAEA,DM平面ACE.   (2019·天津市重點(diǎn)中學(xué)高三聯(lián)考)如圖所示,在四棱錐PABCD中,平面PAD平面ABCD,PAPD,PAPDABADAB1,AD2,ACCD.(1)求證:PD平面PAB;(2)求直線PB與平面PCD所成角的正弦值;(3)在棱PA上是否存在點(diǎn)M,使得BM平面PCD?若存在,求的值;若不存在,說(shuō)明理由.解 (1)證明:因?yàn)槠矫?/span>PAD平面ABCD,ABAD,所以AB平面PAD,所以ABPD.又因?yàn)?/span>PAPD,PAABA,所以PD平面PAB.(2)AD的中點(diǎn)O,連接PO,CO.因?yàn)?/span>PAPD,所以POAD.又因?yàn)?/span>PO?平面PAD,平面PAD平面ABCD,所以PO平面ABCD.因?yàn)?/span>CO?平面ABCD,所以POCO.因?yàn)?/span>ACCD,所以COAD.如圖建立空間直角坐標(biāo)系Oxyz.由題意得,A(0,1,0),B(1,1,0)C(2,0,0),D(0,-1,0),P(0,0,1)P(1,1,-1),P(2,0,-1),P(0,-1,-1)設(shè)平面PCD的法向量為n(xy,z),z2,則x1,y=-2,所以n(1,-2,2)(1,1,-1),所以cosn,〉==-所以直線PB與平面PCD所成角的正弦值為.(3)設(shè)M是棱PA上一點(diǎn),則存在λ[0,1]使得λ.因此點(diǎn)M(0,1λ,λ)(1,-λ,λ)因?yàn)?/span>BM?平面PCD,所以當(dāng)且僅當(dāng)·n0時(shí)BM平面PCD,即(1,-λ,λ)·(1,-2,2)0,解得λ.所以在棱PA上存在點(diǎn)M使得BM平面PCD,此時(shí).答題啟示對(duì)于點(diǎn)的探究型問(wèn)題,要善于根據(jù)點(diǎn)的位置結(jié)合向量的有關(guān)定理靈活設(shè)出未知量,盡量使未知量個(gè)數(shù)最少.                       對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練  (2019·河南開(kāi)封一模)如圖所示,正方形ABCD的邊長(zhǎng)為2,AE平面BCE,且AE1.(1)求證:平面ABCD平面ABE;(2)線段AD上是否存在一點(diǎn)F,使二面角ABFE的余弦值為?若存在,請(qǐng)找出點(diǎn)F的位置;若不存在,請(qǐng)說(shuō)明理由.解 (1)證明:AE平面BCE,BC?平面BCE,AEBCBCAB,AEABABC平面ABE,BC?平面ABCD,平面ABCD平面ABE.(2)如圖所示,建立空間直角坐標(biāo)系Axyz,AE平面BCEBE?平面BCE,AEBE,AE1,AB2,BE.假設(shè)線段AD上存在一點(diǎn)F滿足題意,EB(0,2,0),F(0,0h)(0<h2),由已知得平面ABF的一個(gè)法向量為m(1,0,0),(0,-2,h),設(shè)平面BEF的一個(gè)法向量為n(xyz),y1,得n,cosm,n〉=,h1.存在一點(diǎn)F,且點(diǎn)F為線段AD的中點(diǎn)時(shí),二面角ABFE的余弦值為. 

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