十年高考分类解析与应试策略数学

第五章  平面向量与直线、平面、简单几何体(B)

 

●考点阐释

1.向量是数学中的重要概念,并和数一样,也能运算.它是一种工具,用向量的有关知识能有效地解决数学、物理等学科中的很多问题.

向量法和坐标法是研究和解决向量问题的两种方法.

坐标表示,使平面中的向量与它的坐标建立了一一对应关系,用“数”的运算处理“形”的问题,在解析几何中有广泛的应用.向量法便于研究空间中涉及直线和平面的各种问题.

2.平移变换的价值在于可利用平移变换,使相应的函数解析式得到简化.

●试题类编

一、选择题

1.(2002上海春,13)若abc为任意向量,mR,则下列等式不一定成立的是(    )

A.(a+b)+c=a+(b+c)                B.(a+b)?c=a?c+b?c

C.ma+b)=ma+mb                       D.(a?bc=ab?c

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2.(2002天津文12,理10)平面直角坐标系中,O为坐标原点,已知两点A(3,1),B(-1,3),若点C满足,其中αβR,且α+β=1,则点C的轨迹方程为(    )

A.3x+2y-11=0                                      B.(x-1)2+(y-2)2=5

C.2xy=0                                       D.x+2y-5=0

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3.(2001江西、山西、天津文)若向量a=(3,2),b=(0,-1),则向量2ba的坐标是(    )

A.(3,-4)                                 B.(-3,4)  

C.(3,4)                                     D.(-3,-4)

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4.(2001江西、山西、天津)设坐标原点为O,抛物线y2=2x与过焦点的直线交于AB两点,则等于(    )

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A.                          B.-                       C.3                            D.-3

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5.(2001上海)如图5―1,在平行六面体ABCDA1B1C1D1中,MACBD的交点,若=a=b=c.则下列向量中与相等的向量是(    )

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A.-a+b+c                                              B. a+b+c

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C. ab+c                                               D.-ab+c

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6.(2001江西、山西、天津理,5)若向量a=(1,1),b=(1,-1),c=(-1,2),则c等于(    )

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A.-a+b                                        B.ab  

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C. ab                                         D.-a+b

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7.(2000江西、山西、天津理,4)设abc是任意的非零平面向量,且相互不共线,则

①(a?bc-(c?ab=0  ②|a|-|b|<|ab|  ③(b?ca-(c?ab不与c垂直

④(3a+2b)(3a-2b)=9|a|2-4|b|2中,是真命题的有(    )

A.①②                      B.②③                       C.③④                       D.②④

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8.(1997全国,5)如果直线l沿x轴负方向平移3个单位,再沿y轴正方向平移1个单位后,又回到原来的位置,那么直线l的斜率为(    )

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A.-                        B.-3                               C.                          D.3

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二、填空题

9.(2002上海文,理2)已知向量ab的夹角为120°,且|a|=2,|b|=5,则(2ab)?a=_____.

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10.(2001上海春,8)若非零向量αβ满足|α+β|=|αβ|,则αβ所成角的大小为_____.

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11.(2000上海,1)已知向量=(-1,2),=(3,m),若,则m=    .

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12.(1999上海理,8)若将向量a=(2,1)围绕原点按逆时针方向旋转得到向量b,则向量b的坐标为_____.

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13.(1997上海,14)设a=(m+1)i-3jb=i+(m-1)j,(a+b)⊥(ab),则m=_____.

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14.(1996上海,15)已知a+b=2i-8jab=-8i+16j,那么a?b=_____.

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15.(1996上海,15)已知O(0,0)和A(6,3)两点,若点P在直线OA上,且,又P是线段OB的中点,则点B的坐标是_____.

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三、解答题

 16.(2003上海春,19)已知三棱柱ABCA1B1C1,在某个空间直角坐标系中,={0,0,n}.(其中mn>0).如图5―2.

(1)证明:三棱柱ABCA1B1C1是正三棱柱;

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(2)若m=n,求直线CA1与平面A1ABB1所成角的大小.

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17.(2002上海春,19)如图5―3,三棱柱OABO1A1B1,平面OBB1O1⊥平面OAB,∠O1OB=60°,∠AOB=90°,且OB=OO1=2,OA=.求:

(1)二面角O1ABO的大小;

(2)异面直线A1BAO1所成角的大小.

(上述结果用反三角函数值表示)

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18.(2002上海,17)如图5―4,在直三棱柱ABOABO′中,OO′=4,OA=4,OB=3,∠AOB=90°,D是线段AB′的中点,P是侧棱BB′上的一点,若OPBD,求OP与底面AOB所成角的大小.(结果用反三角函数值表示)

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图5―3             图5―4         图5―5

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19.(2002天津文9,理18)如图5―5,正三棱柱ABCA1B1C1的底面边长为a,侧棱长为a.

(1)建立适当的坐标系,并写出点ABA1C1的坐标;

(2)求AC1与侧面ABB1A1所成的角.

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20.(2002天津文22,理21)已知两点M(-1,0),N(1,0),且点P使

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成公差小于零的等差数列.

(1)点P的轨迹是什么曲线?

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(2)若点P坐标为(x0y0),θ的夹角,求tanθ.

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21.(2001江西、山西、天津理)如图5―6,以正四棱锥VABCD底面中心O为坐标原点建立空间直角坐标系Oxyz,其中OxBCOyABEVC的中点,正四棱锥底面边长为2a,高为h.

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(1)求cos< >;

(2)记面BCVα,面DCVβ,若∠BED是二面角αVCβ的平面角,求∠BED.

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图5―6           图5―7             图5―8

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22.(2001上海春)在长方体ABCDA1B1C1D1中,点EF分别在BB1DD1上,且AEA1BAFA1D.

(1)求证:A1C⊥平面AEF

(2)若规定两个平面所成的角是这两个平面所组成的二面角中的锐角(或直角).则在空间中有定理:若两条直线分别垂直于两个平面,则这两条直线所成的角与这两个平面所成的角相等.

试根据上述定理,在AB=4,AD=3,AA1=5时,求平面AEF与平面D1B1BD所成角的大小.(用反三角函数值表示)

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23.(2001上海)在棱长为a的正方体OABCOABC′中,EF分别是棱ABBC上的动点,且AE=BF.如图5―8.

(1)求证:AFCE.

(2)当三棱锥B′―BEF的体积取得最大值时,求二面角B′―EFB的大小(结果用反三角函数表示)

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24.(2000上海春,21)四棱锥PABCD中,底面ABCD是一个平行四边形, ={2,-1,-4},={4,2,0},={-1,2,-1}.

(1)求证:PA⊥底面ABCD

(2)求四棱锥PABCD的体积;

(3)对于向量a={x1y1z1},b={x2y2z2},c={x3y3z3},定义一种运算:

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a×b)?c=x1y2z3+x2y3z1+x3y1z2x1y3z2x2y1z3x3y2z1,试计算(×)?的绝对值的值;说明其与四棱锥PABCD体积的关系,并由此猜想向量这一运算(×)?的绝对值的几何意义.

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25.(2000上海,18)如图5―9所示四面体ABCD中,ABBCBD两两互相垂直,且AB=BC=2,EAC中点,异面直线ADBE所成的角的大小为arccos,求四面体ABCD的体积.

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图5―9        图5―10          图5―11

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26.(2000天津、江西、山西)如图5―10所示,直三棱柱ABCA1B1C1中,CA=CB=1,∠BCA=90°,棱AA1=2,MN分别是A1B1A1A的中点.

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(1)求的长;

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(2)求cos< >的值;

(3)求证:A1BC1M.

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27.(2000全国理,18)如图5―11,已知平行六面体ABCDA1B1C1D1的底面ABCD是菱形且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60°.

(1)证明:C1CBD

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(2)假定CD=2,CC1=,记面C1BDα,面CBDβ,求二面角αBDβ的平面角的余弦值;

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(3)当的值为多少时,能使A1C⊥平面C1BD?请给出证明.

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28.(1999上海,20)如图5―12,在四棱锥PABCD中,底面ABCD是一直角梯形,∠BAD=90°,ADBCAB=BC=aAD=2a,且PA⊥底面ABCDPD与底面成30°角.

(1)若AEPDE为垂足,求证:BEPD

(2)求异面直线AECD所成角的大小.

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29.(1995上海,21)如图5―13在空间直角坐标系中BC=2,原点OBC的中点,点A的坐标是(,0),点D在平面yOz上,且∠BDC=90°,∠DCB=30°.

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(1)求向量的坐标;

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(2)设向量的夹角为θ,求cosθ的值.

●答案解析

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1.答案:D

解析:因为(a?bc=|a|?|b|?cosθ?cab?c)=|b|?|c|?cosα?ac方向与a方向不一定同向.

评述:向量的积运算不满足结合律.

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2.答案:D

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解析:设=(xy),=(3,1),=(-1,3),α=(3αα),

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β=(-β,3β

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α+β=(3αβα+3β

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∴(xy)=(3αβα+3β),∴

α+β=1  因此可得x+2y=5

评述:本题主要考查向量法和坐标法的相互关系及转换方法.

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3.答案:D

解析:设(xy)=2ba=2(0,-1)-(3,2)=(-3,-4).

评述:考查向量的坐标表示法.

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4.答案:B

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解法一:设Ax1y1),Bx2y2),AB所在直线方程为y=kx),则=x1x2+y1y2.又,得k2x2-(k2+2)x+=0,∴x1?x2=,而y1y2=kx1kx2)=k2x1)(x2)=-1.∴x1x2+y1y2=-1=-.

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解法二:因为直线AB是过焦点的弦,所以y1?y2=-p2=-1.x1?x2同上.

评述:本题考查向量的坐标运算,及数形结合的数学思想.

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5.答案:A

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解析:=c+(-a+b)=-a+b+c

评述:用向量的方法处理立体几何问题,使复杂的线面空间关系代数化,本题考查的是基本的向量相等,与向量的加法.考查学生的空间想象能力.

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6.答案:B

解析:设c=ma+nb,则(-1,2)=m(1,1)+n(1,-1)=(m+nmn).

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  ∴

评述:本题考查平面向量的表示及运算.

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7.答案:D

解析:①平面向量的数量积不满足结合律.故①假;

②由向量的减法运算可知|a|、|b|、|ab|恰为一个三角形的三条边长,由“两边之差小于第三边”,故②真;

③因为[(b?ca-(c?ab]?c=(b?ca?c-(c?ab?c=0,所以垂直.故③假;

④(3a+2b)(3a-2b)=9?a?a-4b?b=9|a|2-4|b|2成立.故④真.

评述:本题考查平面向量的数量积及运算律.

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8.答案:A

解析:设直线l的方程为y=kx+b(此题k必存在),则直线向左平移3个单位,向上平移1个单位后,直线方程应为y=kx+3)+b+1即y=kx+3k+b+1

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因为此直线与原直线重合,所以两方程相同.比较常数项得3k+b+1=b.∴k=-.

评述:本题考查平移变换与函数解析式的相互关系.

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9.答案:13

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解析:∵(2ab)?a=2a2b?a=2|a|2-|a|?|b|?cos120°=2?4-2?5(-)=13.

评述:本题考查向量的运算关系.

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10.答案:90°

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解析:由|α+β|=|αβ|,可画出几何图形,如图5―14.

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|αβ|表示的是线段AB的长度,|α+β|表示线段OC的长度,由|AB|=|OC|

∴平行四边形OACB为矩形,故向量αβ所成的角为90°

评述:本题考查向量的概念,向量的几何意义,向量的运算.这些知识不只在学习向量时用到,而且在复数、物理学中也是一些最基本的知识.

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11.答案:4

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解析:∵={-1,2},={3,m},={4,m-2},又

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∴-1×4+2(m-2)=0,∴m=4.

评述:本题考查向量的概念,向量的运算,向量的数量积及两向量垂直的充要条件.

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12.答案:(

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解析:设a==2+i,b=,由已知的夹角为,由复数乘法的几何意义,得=(cos+isin)=(2+i).

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b=(

评述:本题考查向量的概念,向量与复数一一对应关系,考查变通、变换等数学方法,以及运用数学知识解决问题的能力.

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13.答案:-2

解析:由题意,得

 

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∵(a+b)⊥(ab),∴(m+2)×m+(m-4)(-m-2)=0,∴m=-2.

评述:本题考查平面向量的加、减法,平面向量的数量积及运算,两向量垂直的充要条件.

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14.答案:-63

解析:解方程组

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a?b=(-3)×5+4×(-12)=-63.

评述:本题考查平面向量数量积的坐标表示及求法.

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15.答案:(4,2)

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解析:设Pxy),由定比分点公式

P(2,1),又由中点坐标公式,可得B(4,2).

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16.(1)证明:∵,∴| |=m

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∴||=m,||=m,∴△ABC为正三角形.

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?=0,即AA1AB,同理AA1AC,∴AA1⊥平面ABC,从而三棱柱ABCA1B1C1是正三棱柱.

(2)解:取AB中点O,连结COA1O.

COAB,平面ABC⊥平面ABB1A1,∴CO⊥平面ABB1A1,即∠CA1O为直线CA1与平面A1ABB1所成的角.

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在Rt△CA1O中,CO=mCA1=

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∴sinCA1O=,即∠CA1O=45°.

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17.解:(1)取OB的中点D,连结O1D

O1DOB.

∵平面OBB1O1⊥平面OAB

O1D⊥平面OAB.

DAB的垂线,垂足为E,连结O1E.

O1EAB.

∴∠DEO1为二面角O1ABO的平面角.

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由题设得O1D=

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sinOBA=

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DE=DBsinOBA=

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∵在RtO1DE中,tanDEO1=

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∴∠DEO1=arctan,即二面角O1ABO的大小为arctan.

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(2)以O点为原点,分别以OAOB所在直线为xy轴,过O点且与平面AOB垂直的直线为z轴,建立空间直角坐标系如图5―15.则

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O(0,0,0),O1(0,1,),A,0,0),A1,1,),B(0,2,0).

设异面直线A1BAO1所成的角为α

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cosα=

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∴异面直线A1BAO1所成角的大小为arccos.

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18.解法一:如图5―16,以O点为原点建立空间直角坐标系.

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由题意,有B(3,0,0),D,2,4),设P(3,0,z),则

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={-,2,4},={3,0,z}.

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BDOP,∴?=-+4z=0,z=.

BB′⊥平面AOB,∴∠POBOP与底面AOB所成的角.

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tanPOB=,∴∠POB=arctan.

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解法二:取OB′中点E,连结DEBE,如图5―17,则

DE⊥平面OBBO′,

BEBD在平面OBBO′内的射影.

又∵OPBD.

由三垂线定理的逆定理,得OPBE.

在矩形OBBO′中,易得Rt△OBP∽Rt△BBE

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,得BP=.

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(以下同解法一)

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19.解:(1)如图5―18,以点A为坐标原点O,以AB所在直线为Oy轴,以AA1所在直线为Oz轴,以经过原点且与平面ABB1A1垂直的直线为Ox轴,建立空间直角坐标系.

由已知,得

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A(0,0,0),B(0,a,0),A1(0,0, a),C1).

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(2)坐标系如图,取A1B1的中点M,于是有M(0, a),连AMMC1

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=(-a,0,0),且=(0,a,0),=(0,0, a

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由于?=0,?=0,所以MC1⊥面ABB1A1.

AC1AM所成的角就是AC1与侧面ABB1A1所成的角.

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=(),=(0,a),

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?=0++2a2=a2.

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而||=.

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||=.

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∴cos<>=.

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所以所成的角,即AC1与侧面ABB1A1所成的角为30°.

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20.解:(1)记Pxy),由M(-1,0),N(1,0)得=-=(-1-x,-y),

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=-=(1-x,-y),=-=(2,0)

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?=2(1+x),?=x2+y2-1,?=2(1-x).

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于是,???是公差小于零的等差数列等价于

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所以,点P的轨迹是以原点为圆心,为半径的右半圆.

(2)点P的坐标为(x0y0).

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?=x02+y02-1=2.

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||?||=.

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∴cosθ=

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21.解:(1)由题意知Baa,0),C(-aa,0),D(-a,-a,0),E).

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由此得,

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.

由向量的数量积公式有

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cos< >=

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(2)若∠BED是二面角αVCβ的平面角,则,则有=0.

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又由C(-aa,0),V(0,0,h),有=(a,-ah)且

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.

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ha,这时有

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cos<>=

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∴∠BED=<>=arccos()=π-arccos

评述:本小题主要考查空间直角坐标的概念、空间点和向量的坐标表示以及两个向量夹角的计算方法;考查运用向量研究空间图形的数学思想方法.

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22.(1)证明:因为CB⊥平面A1B,所以A1C在平面A1B上的射影为A1B.

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A1BAEAE平面A1B,得A1CAE.

同理可证A1CAF.

因为A1CAFA1CAE

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所以A1C⊥平面AEF.

(2)解:过ABD的垂线交CDG,因为D1DAG,所以AG⊥平面D1B1BD.

AGA1C所成的角为α,则α即为平面AEF与平面D1B1BD所成的角.

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由已知,计算得DG=.

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如图5―19建立直角坐标系,则得点A(0,0,0),G,3,0),A1(0,0,5),

C(4,3,0).

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AG={,3,0},A1C={4,3,-5}.

因为AGA1C所成的角为α

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所以cosα=.

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由定理知,平面AEF与平面D1B1BD所成角的大小为arccos.

注:没有学习向量知识的同学可用以下的方法求二面角的平面角.

解法一:设AGBD交于M,则AM⊥面BB1D1D,再作ANEFEFN,连接MN,则∠ANM即为面AEFD1B1BD所成的角α,用平面几何的知识可求出AMAN的长度.

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解法二:用面积射影定理cosα=.

评述:立体几何考查的重点有三个:一是空间线面位置关系的判定;二是角与距离的计算;三是多面体与旋转体中的计算.

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23.建立坐标系,如图5―20.

(1)证明:设AE=BF=x,则A′(a,0,a),Faxa,0),C′(0,aa),Eax,0)

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={-xa,-a},={axa,-a}.

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?=-xa+axa)+a2=0

AFCE

(2)解:设BF=x,则EB=ax

三棱锥B′―BEF的体积

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V=xax)?a2=a3

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当且仅当x=时,等号成立.

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因此,三棱锥B′―BEF的体积取得最大值时BE=BF=,过BBDEFD,连

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BD,可知BDEF.∴∠BDB是二面角B′―EFB的平面角在直角三角形BEF中,直角边BE=BF=BD是斜边上的高.∴BD=a.

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∴tanBDB=

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故二面角B′―EFB的大小为arctan2.

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评述:本题考查空间向量的表示、运算及两向量垂直的充要条件.二次函数求最值或均值不等式求最值,二面角等知识.考查学生的空间想象能力和运算能力.用空间向量的观点处理立体几何中的线面关系,把几何问题代数化,降低了立体几何的难度.本题考查的线线垂直等价于?=0,使问题很容易得到解决.而体积的最值除用均值不等式外亦可用二次函数求最值的方法处理.二面角的平面角的找法是典型的三垂线定理找平面角的方法,计算较简单,有一定的思维量.

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24.(1)证明:∵=-2-2+4=0,∴APAB.

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又∵=-4+4+0=0,∴APAD.

ABAD是底面ABCD上的两条相交直线,∴AP⊥底面ABCD.

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(2)解:设的夹角为θ,则

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cosθ=

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V=||?||?sinθ?||=

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(3)解:|(×)?|=|-4-32-4-8|=48它是四棱锥PABCD体积的3倍.

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猜测:|(×)?|在几何上可表示以ABADAP为棱的平行六面体的体积(或以ABADAP为棱的直四棱柱的体积).

评述:本题考查了空间向量的坐标表示、空间向量的数量积、空间向量垂直的充要条件、空间向量的夹角公式和直线与平面垂直的判定定理、棱锥的体积公式等.主要考查考生的运算能力,综合运用所学知识解决问题的能力及空间想象能力.

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25.解:如图5―21建立空间直角坐标系

由题意,有A(0,2,0)、C(2,0,0)、E(1,1,0)

D点的坐标为(0,0,z)(z>0)

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={1,1,0},={0,-2,z},

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所成角为θ.

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?=?cosθ=-2,且ADBE所成的角的大小为arccos.∴cos2θ=,∴z=4,故|BD|的长度为4.

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VABCD=|AB|×|BC|×|BD|=,因此,四面体ABCD的体积为.

评述:本题考查空间图形的长度、角度、体积的概念和计算.以向量为工具,利用空间向量的坐标表示、空间向量的数量积计算线段的长度、异面直线所成角等问题,思路自然,解法灵活简便.

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26.解:如图5―22,建立空间直角坐标系Oxyz.

(1)依题意得B(0,1,0)、N(1,0,1)

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∴| |=.

(2)依题意得A1(1,0,2)、B(0,1,0)、C(0,0,0)、B1(0,1,2)

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={-1,-1,2},={0,1,2,},?=3,||=,||=

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∴cos<>=.

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(3)证明:依题意,得C1(0,0,2)、M,2),={-1,1,2},

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={,0}.

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?=-+0=0,∴,∴A1BC1M.

评述:本题主要考查空间向量的概念及运算的基本知识.考查空间两向量垂直的充要条件.

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27.(1)证明:设=a=b=c,则|a|=|b|,∵=ba

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?=(ba)?c=b?ca?c=|b|?|c|cos60°-|a|?|c|cos60°=0,

C1CBD.

(2)解:连ACBD,设ACBD=O,连OC1,则∠C1OC为二面角αBDβ的平面角.

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a+b),a+b)-c

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?a+b)?[a+b)-c

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=a2+2a?b+b2)-a?cb?c

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=(4+2?2?2cos60°+4)-?2?cos60°-?2?cos60°=.

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则||=,||=,∴cosC1OC=

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(3)解:设=xCD=2, 则CC1=.

BD⊥平面AA1C1C,∴BDA1C

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∴只须求满足:=0即可.

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=a=b=c

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=a+b+c=ac

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=(a+b+c)(ac)=a2+a?bb?cc2=-6,令6-=0,得x=1或x=-(舍去).

评述:本题蕴涵着转化思想,即用向量这个工具来研究空间垂直关系的判定、二面角的求解以及待定值的探求等问题.

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28.(1)证明:∵PA⊥平面ABCD,∴PAAB,又ABAD.∴AB⊥平面PAD.又∵AEPD,∴PD⊥平面ABE,故BEPD.

(2)解:以A为原点,ABADAP所在直线为坐标轴,建立空间直角坐标系,则点CD的坐标分别为(aa,0),(0,2a,0).

PA⊥平面ABCD,∠PDAPD与底面ABCD所成的角,∴∠PDA=30°.

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于是,在Rt△AED中,由AD=2a,得AE=a.过EEFAD,垂足为F,在Rt△AFE中,由AE=a,∠EAF=60°,得AF=EF=a,∴E(0,a

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于是,={-aa,0}

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的夹角为θ,则由cosθ=

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θ=arccos,即AECD所成角的大小为arccos.

评述:第(2)小题中,以向量为工具,利用空间向量坐标及数量积,求两异面直线所成的角是立体几何中的常见问题和处理手段.

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29.解:(1)过DDEBC,垂足为E,在Rt△BDC中,由∠BDC=90°,∠DCB=30°,BC=2,得BD=1,CD=,∴DE=CD?sin30°=.

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OE=OBBE=OBBD?cos60°=1-.

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D点坐标为(0,-),即向量OD[TX→]的坐标为{0,-}.

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(2)依题意:

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所以.

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设向量的夹角为θ,则

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cosθ=

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.

评述:本题考查空间向量坐标的概念,空间向量数量积的运算及空间向量的夹角公式.解决好本题的关键是对空间向量坐标的概念理解清楚,计算公式准确,同时还要具备很好的运算能力.

●命题趋向与应试策略

对本章内容的考查主要分以下三类:

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1.以选择、填空题型考查本章的基本概念和性质.此类题一般难度不大,用以解决有关长度、夹角、垂直、判断多边形形状等问题.

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2.以解答题考查圆锥曲线中的典型问题.此类题综合性比较强,难度大,以解析几何中的常规题为主.

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3.向量在空间中的应用(在B类教材中).在空间坐标系下,通过向量的坐标的表示,运用计算的方法研究三维空间几何图形的性质.

在复习过程中,抓住源于课本,高于课本的指导方针.本章考题大多数是课本的变式题,即源于课本.因此,掌握双基、精通课本是本章关键.

 

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同步练习册答案