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a、b、c为任意向量,m∈R,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.m(a+b)=ma+mb D.(a?b)c=a(b?c)
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α、β∈R,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.2x-y=0 D.x+2y-5=0
3.(2001江西、山西、天津文)若向量a=(3,2),b=(0,-1),则向量2b-a的坐标是( )
A.(3,-4) B.(-3,4)
C.(3,4) D.(-3,-4)
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A、B两点,则
等于( )
A.
B.-
C.3 D.-3
5.(2001上海)如图5―1,在平行六面体ABCD―A1B
=a,
=b,
=c.则下列向量中与
相等的向量是( )
A.-
a+
b+c B.
a+
b+c
C.
a-
b+c D.-
a-
b+c
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( )
A.-
a+
b
B.
a-
b
C.
a-
b
D.-
a+
b
7.(2000江西、山西、天津理,4)设a、b、c是任意的非零平面向量,且相互不共线,则
①(a?b)c-(c?a)b=0 ②|a|-|b|<|a-b| ③(b?c)a-(c?a)b不与c垂直
④(
A.①② B.②③ C.③④ D.②④
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( )
A.-
B.-
D.3
二、填空题
9.(2002上海文,理2)已知向量a和b的夹角为120°,且|a|=2,|b|=5,则(
10.(2001上海春,8)若非零向量α、β满足|α+β|=|α-β|,则α与β所成角的大小为_____.
11.(2000上海,1)已知向量
=(-1,2),
=(3,m),若
⊥
,则m= .
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_____.
13.(1997上海,14)设a=(m+1)i-3j,b=i+(m-1)j,(a+b)⊥(a-b),则m=_____.
14.(1996上海,15)已知a+b=2i-8j,a-b=-8i+16j,那么a?b=_____.
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_____.
三、解答题
16.(2003上海春,19)已知三棱柱ABC―A1B
={0,0,n}.(其中m、n>0).如图5―2.
(1)证明:三棱柱ABC―A1B
(2)若m=
n,求直线CA1与平面A1ABB1所成角的大小.
17.(2002上海春,19)如图5―3,三棱柱OAB―O
.求:
(1)二面角O1―AB―O的大小;
(2)异面直线A1B与AO1所成角的大小.
(上述结果用反三角函数值表示)
18.(2002上海,17)如图5―4,在直三棱柱ABO―A′B′O′中,OO′=4,OA=4,OB=3,∠AOB=90°,D是线段A′B′的中点,P是侧棱BB′上的一点,若OP⊥BD,求OP与底面AOB所成角的大小.(结果用反三角函数值表示)
![]()
图5―3 图5―4 图5―5
19.(2002天津文9,理18)如图5―5,正三棱柱ABC―A1B
a.
(1)建立适当的坐标系,并写出点A、B、A1、C1的坐标;
(2)求AC1与侧面ABB
20.(2002天津文22,理21)已知两点M(-1,0),N(1,0),且点P使![]()
![]()
成公差小于零的等差数列.
(1)点P的轨迹是什么曲线?
(2)若点P坐标为(x0,y0),θ为
与
的夹角,求tanθ.
21.(2001江西、山西、天津理)如图5―6,以正四棱锥V―ABCD底面中心O为坐标原点建立空间直角坐标系O―xyz,其中Ox∥BC,Oy∥AB,E为VC的中点,正四棱锥底面边长为
(1)求cos<
>;
(2)记面BCV为α,面DCV为β,若∠BED是二面角α―VC―β的平面角,求∠BED.
![]()
图5―6 图5―7 图5―8
22.(2001上海春)在长方体ABCD―A1B
(1)求证:A
(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)
23.(2001上海)在棱长为a的正方体OABC―O′A′B′C′中,E、F分别是棱AB、BC上的动点,且AE=BF.如图5―8.
(1)求证:A′F⊥C′E.
(2)当三棱锥B′―BEF的体积取得最大值时,求二面角B′―EF―B的大小(结果用反三角函数表示)
24.(2000上海春,21)四棱锥P―ABCD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P―ABCD的体积;
(3)对于向量a={x1,y1,z1},b={x2,y2,z2},c={x3,y3,z3},定义一种运算:
(a×b)?c=x1y2z3+x2y3z1+x3y1z2-x1y3z2-x2y1z3-x3y2z1,试计算(
×
)?
的绝对值的值;说明其与四棱锥P―ABCD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.
25.(2000上海,18)如图5―9所示四面体ABCD中,AB、BC、BD两两互相垂直,且AB=BC=2,E是AC中点,异面直线AD与BE所成的角的大小为arccos
,求四面体ABCD的体积.
![]()
图5―9 图5―10 图5―11
26.(2000天津、江西、山西)如图5―10所示,直三棱柱ABC―A1B
(1)求
的长;
(2)求cos<
>的值;
(3)求证:A1B⊥C
27.(2000全国理,18)如图5―11,已知平行六面体ABCD―A1B
(1)证明:C
(2)假定CD=2,CC1=
,记面C1BD为α,面CBD为β,求二面角α―BD―β的平面角的余弦值;
(3)当
的值为多少时,能使A
28.(1999上海,20)如图5―12,在四棱锥P―ABCD中,底面ABCD是一直角梯形,∠BAD=90°,AD∥BC,AB=BC=a,AD=
(1)若AE⊥PD,E为垂足,求证:BE⊥PD;
(2)求异面直线AE与CD所成角的大小.
29.(1995上海,21)如图5―13在空间直角坐标系中BC=2,原点O是BC的中点,点A的坐标是(
,0),点D在平面yOz上,且∠BDC=90°,∠DCB=30°.
(1)求向量
的坐标;
(2)设向量
和
的夹角为θ,求cosθ的值.
●答案解析
1.答案:D
解析:因为(a?b)c=|a|?|b|?cosθ?c而a(b?c)=|b|?|c|?cosα?a而c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.
2.答案:D
解析:设
=(x,y),
=(3,1),
=(-1,3),α
=(3α,α),
β
=(-β,3β)
又α
+β
=(3α-β,α+3β)
∴(x,y)=(3α-β,α+3β),∴![]()
又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.
3.答案:D
解析:设(x,y)=2b-a=2(0,-1)-(3,2)=(-3,-4).
评述:考查向量的坐标表示法.
4.答案:B
解法一:设A(x1,y1),B(x2,y2),AB所在直线方程为y=k(x-
),则
=x1x2+y1y2.又
,得k2x2-(k2+2)x+
=0,∴x1?x2=
,而y1y2=k(x1-
)k(x2-
)=k2(x1-
)(x2-
)=-1.∴x1x2+y1y2=
-1=-
.
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.
5.答案:A
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.
6.答案:B
解析:设c=ma+nb,则(-1,2)=m(1,1)+n(1,-1)=(m+n,m-n).
∴
∴![]()
评述:本题考查平面向量的表示及运算.
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|、|a-b|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?c)a-(c?a)b]?c=(b?c)a?c-(c?a)b?c=0,所以垂直.故③假;
④(
评述:本题考查平面向量的数量积及运算律.
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=k(x+3)+b+1即y=kx+3k+b+1
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.
9.答案:13
解析:∵(
)=13.
评述:本题考查向量的运算关系.
10.答案:90°
解析:由|α+β|=|α-β|,可画出几何图形,如图5―14.
|α-β|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α与β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.
11.答案:4
解析:∵
={-1,2},
={3,m},
={4,m-2},又
⊥
,
∴-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.
12.答案:(
)
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)
.
∴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.
13.答案:-2
解析:由题意,得
∵(a+b)⊥(a-b),∴(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.
14.答案:-63
解析:解方程组
得
∴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.
15.答案:(4,2)
解析:设P(x,y),由定比分点公式
,
则P(2,1),又由中点坐标公式,可得B(4,2).
16.(1)证明:∵
,∴|
|=m,
又![]()
∴|
|=m,|
|=m,∴△ABC为正三角形.
又
?
=0,即AA1⊥AB,同理AA1⊥AC,∴AA1⊥平面ABC,从而三棱柱ABC―A1B
(2)解:取AB中点O,连结CO、A1O.
∵CO⊥AB,平面ABC⊥平面ABB
在Rt△CA1O中,CO=
m,CA1=
,
∴sinCA1O=
,即∠CA1O=45°.
17.解:(1)取OB的中点D,连结O1D,
则O1D⊥OB.
∵平面OBB1O1⊥平面OAB,
∴O1D⊥平面OAB.
过D作AB的垂线,垂足为E,连结O1E.
则O1E⊥AB.
∴∠DEO1为二面角O1―AB―O的平面角.
由题设得O1D=
,
sinOBA=
,
∴DE=DBsinOBA=![]()
∵在Rt△O1DE中,tanDEO1=
,
∴∠DEO1=arctan
,即二面角O1―AB―O的大小为arctan
.
(2)以O点为原点,分别以OA、OB所在直线为x、y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
O(0,0,0),O1(0,1,
),A(
,0,0),A1(
,1,
),B(0,2,0).
设异面直线A1B与AO1所成的角为α,
则
,
cosα=
,
∴异面直线A1B与AO1所成角的大小为arccos
.
18.解法一:如图5―16,以O点为原点建立空间直角坐标系.
由题意,有B(3,0,0),D(
,2,4),设P(3,0,z),则
={-
,2,4},
={3,0,z}.
∵BD⊥OP,∴
?
=-
+4z=0,z=
.
∵BB′⊥平面AOB,∴∠POB是OP与底面AOB所成的角.
tanPOB=
,∴∠POB=arctan
.
解法二:取O′B′中点E,连结DE、BE,如图5―17,则
DE⊥平面OBB′O′,
∴BE是BD在平面OBB′O′内的射影.
又∵OP⊥BD.
由三垂线定理的逆定理,得OP⊥BE.
在矩形OBB′O′中,易得Rt△OBP∽Rt△BB′E,
∴
,得BP=
.
(以下同解法一)
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ABB
由已知,得
A(0,0,0),B(0,a,0),A1(0,0,
a),C1(
).
(2)坐标系如图,取A1B1的中点M,于是有M(0,
a),连AM,MC1有
=(-
a,0,0),且
=(0,a,0),
=(0,0,
a)
由于
?
=0,
?
=0,所以MC1⊥面ABB
∴AC1与AM所成的角就是AC1与侧面ABB
∵
=(
),
=(0,
a),
∴
?
=0+
+
a2.
而|
|=
.
|
|=
.
∴cos<
,
>=
.
所以
与
所成的角,即AC1与侧面ABB
20.解:(1)记P(x,y),由M(-1,0),N(1,0)得
=-
=(-1-x,-y),
=-
=(1-x,-y),
=-
=(2,0)
∴
?
=2(1+x),
?
=x2+y2-1,
?
=2(1-x).
于是,
?
,
?
,
?
是公差小于零的等差数列等价于
即![]()
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(x0,y0).
?
=x02+y02-1=2.
|
|?|
|=
.
∴cosθ=![]()
21.解:(1)由题意知B(a,a,0),C(-a,a,0),D(-a,-a,0),E(
).
由此得,![]()
∴
,
.
由向量的数量积公式有
cos<
>=![]()
(2)若∠BED是二面角α―VC―β的平面角,则
,则有
=0.
又由C(-a,a,0),V(0,0,h),有
=(a,-a,h)且
,
∴
.
即h=
a,这时有
cos<
>=
,
∴∠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.
22.(1)证明:因为CB⊥平面A1B,所以A
由A1B⊥AE,AE
平面A1B,得A
同理可证A
因为A
所以A
(2)解:过A作BD的垂线交CD于G,因为D1D⊥AG,所以AG⊥平面D1B1BD.
设AG与A
由已知,计算得DG=
.
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).
AG={
,3,0},A
因为AG与A
所以cosα=
.
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AG与BD交于M,则AM⊥面BB1D1D,再作AN⊥EF交EF于N,连接MN,则∠ANM即为面AEF与D1B1BD所成的角α,用平面几何的知识可求出AM、AN的长度.
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.
23.建立坐标系,如图5―20.
(1)证明:设AE=BF=x,则A′(a,0,a),F(a-x,a,0),C′(0,a,a),E(a,x,0)
∴
={-x,a,-a},
={a,x-a,-a}.
∵
?
=-xa+a(x-a)+a2=0
∴A′F⊥C′E
(2)解:设BF=x,则EB=a-x
三棱锥B′―BEF的体积
V=
x(a-x)?a≤
(
)2=
a3
当且仅当x=
时,等号成立.
因此,三棱锥B′―BEF的体积取得最大值时BE=BF=
,过B作BD⊥EF于D,连
B′D,可知B′D⊥EF.∴∠B′DB是二面角B′―EF―B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.
∴tanB′DB=![]()
故二面角B′―EF―B的大小为arctan2
.
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.
24.(1)证明:∵
=-2-2+4=0,∴AP⊥AB.
又∵
=-4+4+0=0,∴AP⊥AD.
∵AB、AD是底面ABCD上的两条相交直线,∴AP⊥底面ABCD.
(2)解:设
与
的夹角为θ,则
cosθ=![]()
V=
|
|?|
|?sinθ?|
|=![]()
(3)解:|(
×
)?
|=|-4-32-4-8|=48它是四棱锥P―ABCD体积的3倍.
猜测:|(
×
)?
|在几何上可表示以AB、AD、AP为棱的平行六面体的体积(或以AB、AD、AP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.
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)
设D点的坐标为(0,0,z)(z>0)
则
={1,1,0},
={0,-2,z},
设
与
所成角为θ.
则
?
=
?
cosθ=-2,且AD与BE所成的角的大小为arccos
.∴cos2θ=
,∴z=4,故|BD|的长度为4.
又VA―BCD=
|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.
26.解:如图5―22,建立空间直角坐标系O―xyz.
(1)依题意得B(0,1,0)、N(1,0,1)
∴|
|=
.
(2)依题意得A1(1,0,2)、B(0,1,0)、C(0,0,0)、B1(0,1,2)
∴
={-1,-1,2},
={0,1,2,},
?
=3,|
|=
,|
|=![]()
∴cos<
,
>=
.
(3)证明:依题意,得C1(0,0,2)、M(
,2),
={-1,1,2},
={
,0}.
∴
?
=-
+0=0,∴
⊥
,∴A1B⊥C
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.
27.(1)证明:设
=a,
=b,
=c,则|a|=|b|,∵
=b-a,
∴
?
=(b-a)?c=b?c-a?c=|b|?|c|cos60°-|a|?|c|cos60°=0,
∴C
(2)解:连AC、BD,设AC∩BD=O,连OC1,则∠C1OC为二面角α―BD―β的平面角.
∵
(a+b),
(a+b)-c
∴
?
(a+b)?[
(a+b)-c]
=
(a2+
a?c-
b?c
=
(4+2?2?2cos60°+4)-
?2?
cos60°-
?2?
cos60°=
.
则|
|=
,|
|=
,∴cosC1OC=![]()
(3)解:设
=x,CD=2,
则CC1=
.
∵BD⊥平面AA
∴只须求满足:
=0即可.
设
=a,
=b,
=c,
∵
=a+b+c,
=a-c,
∴
=(a+b+c)(a-c)=a2+a?b-b?c-c2=
-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.
28.(1)证明:∵PA⊥平面ABCD,∴PA⊥AB,又AB⊥AD.∴AB⊥平面PAD.又∵AE⊥PD,∴PD⊥平面ABE,故BE⊥PD.
(2)解:以A为原点,AB、AD、AP所在直线为坐标轴,建立空间直角坐标系,则点C、D的坐标分别为(a,a,0),(0,
∵PA⊥平面ABCD,∠PDA是PD与底面ABCD所成的角,∴∠PDA=30°.
于是,在Rt△AED中,由AD=
,EF=
a,∴E(0,
a)
于是,
={-a,a,0}
设
与
的夹角为θ,则由cosθ=![]()
![]()
∴θ=arccos
,即AE与CD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.
29.解:(1)过D作DE⊥BC,垂足为E,在Rt△BDC中,由∠BDC=90°,∠DCB=30°,BC=2,得BD=1,CD=
,∴DE=CD?sin30°=
.
OE=OB-BE=OB-BD?cos60°=1-
.
∴D点坐标为(0,-
),即向量OD[TX→]的坐标为{0,-
}.
(2)依题意:
,
所以
.
设向量
和
的夹角为θ,则
cosθ=![]()
.
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:
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.
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.
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.
湖北省互联网违法和不良信息举报平台 | 网上有害信息举报专区 | 电信诈骗举报专区 | 涉历史虚无主义有害信息举报专区 | 涉企侵权举报专区
违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com