题目列表(包括答案和解析)
16.(2009·山东,18)如图所示,在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD为等腰梯形,AB∥CD,AB=4,BC=CD=2,AA1=2,E、E1、F分别是棱AD、AA1、AB的中点.
(1)证明:直线EE1∥平面FCC1;
(2)求二面角B-FC1-C的余弦值.
解析:(1)证法一:取A1B1的中点F1,连结FF1、C1F1,
由于FF1∥BB1∥CC1,
所以F1∈平面FCC1,
因此平面FCC1即为平面C1CFF1,
连结A1D、F1C,由于A1F1綊D1C1綊CD,
所以四边形A1DCF1为平行四边形,因此A1D∥F1C.
又EE1∥A1D,得EE1∥FC,
而EE1⊄平面FCC1,F1C⊂平面FCC1,
故EE1∥平面FCC1.
证法二:因为F为AB的中点,CD=2,AB=4,
AB∥CD,所以CD綊AF,
因此四边形AFCD为平行四边形,所以AD∥FC.
又CC1∥DD1,FC∩CC1=C,
FC⊂平面FCC1,CC1⊂平面FCC1,
所以平面ADD1A1∥平面FCC1,
又EE1⊂平面ADD1A1,
所以EE1∥平面FCC1.
(2)解法一:取FC的中点H,
由于FC=BC=FB,所以BH⊥FC.
又BH⊥CC1,所以BH⊥平面FCC1.
过H作HG⊥C1F于G,连结BG.
由于HG⊥C1F,BH⊥平面FCC1,所以C1F⊥平面BHG,
因此BG⊥C1F,所以∠BGH为所求二面角的平面角.
在Rt△BHG中,BH=,
又FH=1,且△FCC1为等腰直角三角形,
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所以HG=,BG==,
因此cos∠BGH===,
即所求二面角的余弦值为.
解法二:过D作DR⊥CD交AB于R,以D为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系,
则F(,1,0),B(,3,0),C(0,2,0),C1(0,2,2),
所以=(0,2,0),=(-,-1,2),=(,3,0),
由FB=CB=CD=DF,所以DB⊥FC.
又CC1⊥平面ABCD,所以为平面FCC1的一个法向量.
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设平面BFC1的一个法向量为n=(x,y,z),
则由,得
即
取x=1,得
因此n=(1,0,),
所以cos〈,n〉=
===.
故所求二面角的余弦值为.
15.如图,四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,PD⊥底面ABCD,AD=PD,E、F分别为CD、PB的中点.
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(1)求证:EF⊥平面PAB;
(2)设AB=BC,求AC与平面AEF所成的角的大小.
解析:解法一:(1)证明:连结EP,
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∵PD⊥底面ABCD,DE在平面ABCD内,∴PD⊥DE.又CE=ED,PD=AD=BC.
∴Rt△BCE≌Rt△PDE.∴PE=BE.
∵F为PB中点,∴EF⊥PB.
由三垂线定理得PA⊥AB,
∴在Rt△PAB中PF=AF.又PE=BE=EA,
∴△EFP≌△EFA.∴EF⊥FA.
∵PB、FA为平面PAB内的相交直线,∴EF⊥平面PAB.
(2)解:不妨设BC=1,则AD=PD=1,
AB=,PA=,AC=.
∴△PAB为等腰直角三角形,且PB=2,
F为其斜边中点,BF=1,且AF⊥PB.
∵PB与平面AEF内两条相交直线EF、AF都垂直,
∴PB⊥平面AEF.
连结BE交AC于G,作GH∥BP交EF于H,则GH⊥平面AEF,∠GAH为AC与平面AEF所成的角.
由△EGC∽△BGA,可知EG=GB,EG=EB,
AG=AC=.由△EGH∽△EBF,
可知GH=BF=.
∴sin∠GAH==.
∴AC与平面AEF所成的角为arcsin.
解法二:以D为坐标原点,DA的长为单位长,建立如图所示的直角坐标系.
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(1)证明:设E(a,0,0),其中a>0,则C(2a,0,0),A,(0,1,0),B(2a,1,0),P(0,0,1),F(a,,),
=(0,,),=(2a,1,-1),=(2a,0,0).
∵·=0,∴EF⊥PB.
∵·=0,∴EF⊥AB.
又PB⊂平面PAB,AB⊂平面PAB,PB∩AB=B,
∴EF⊥平面PAB.
(2)解:由AB=BC,得a=.
可得=(,-1,0),=(,1,-1),
cos〈,〉==,
异面直线AC、PB所成的角为arccos.
=(,-,),∴·=0,PB⊥AF.
又PB⊥EF,EF、AF为平面AEF内两条相交直线,
∴PB⊥平面AEF.
AC与平面AEF所成的角为-arccos,即arcsin.
14.如图,PD垂直正方形ABCD所在的平面,AB=2,E是PB的中点,cos〈,〉=.
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(1)建立适当的空间坐标系,写出点E的坐标;
(2)在平面PAD内求一点F,使EF⊥平面PCB.
解析:(1)以DA、DC、DP所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间坐标系,如图,得到坐标:
A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,2,0),设P(0,0,2m)⇒E(1,1,m),
∴=(-1,1,m),=(0,0,2m),
∴cos〈,〉==⇒m=1,
∴点E的坐标是(1,1,1).
(2)∵F∈平面PAD,∴可设F(x,0,z)⇒
=(x-1,-1,z-1),
∵EF⊥平面PCB,
∴⊥⇒(x-1,-1,z-1)·(2,0,0)=0⇒x=1,
∵⊥,
∴⊥⇒(x-1,-1,z-1)·(0,2,-2)=0⇒z=0.
∴点F的坐标是(1,0,0),即点F是AD的中点.
13.(2009·杭州名校联测)如图,正三棱锥P-ABC,PA=4,AB=2,D为BC中点,点E在AP上,满足AE=3EP.
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(1)建立适当坐标系,写出A、B、D、E四点的坐标;
(2)求异面直线AD与BE所成的角.
解析:(1)建立如图坐标系:O为△ABC的重心,直线OP为z轴,AD为y轴,x轴平行于CB,得A(0,-,0)、B(1,,0)、D(0,,0)、E(0,-,).
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(2)=(0,,0),=(-1,-,).设AD与BE所成的角为θ,则
cosθ===.
∴θ=arccos.
12.设a,b是直线,α,β是平面,a⊥α,b⊥β,向量a1在a上,向量b1在b上,a1=(1,1,1),b1=(-3,4,0),则α,β所成二面角中较小的一个为________.
答案:arccos
解析:由cos?a1·b1?==
==,
所以α,β所成二面角中较小的一个为arccos.
11.(2009·台湾,11)如图所示,正方体ABCD-EFGH的棱长等于2(即|A|=2),K为正方形ABCD的中心,M、N分别为线段BF、EF的中点.试问下列选项是正确的序号为________.
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(1)=-+;
(2)·=1;
(3)=3;
(4)△KMN为一直角三角形;
(5)△KMN的面积为10.
答案:(1)(4)
解析:如图,建立空间直角坐标系E-xyz.
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∵=(1,-1,-1,),-+=(2,0,0)-(0,2,0)+(0,0,-2)=(1,-1,-1),
∴=-+,
∴·=(1,-1,-1)·(2,0,0)=2≠1.
∵=(1,-1,-1),∴||=≠3.
∵||=,||=,||=⇒||2=||2+||2,
∴△KMN为直角三角形,
∴△KMN的面积为=≠10.
故选(1)(4).
10.(2009·安徽,11)在空间直角坐标系中,已知点A(1,0,2),B(1,-3,1),点M在y轴上,且M到A与到B的距离相等,则M的坐标是________.
答案:(0,-1,0)
解析:设M(0,y,0),由|MA|=|MB|得
(1-0)2+(0-y)2+(2-0)2=(1-0)2+(-3-y)2+(1-0)2,解得y=-1.
∴M(0,-1,0).
9.在空间直角坐标系O-xyz中,给定点P(2,-1,3),若点A与点P关于xOy平面对称,点B与点P关于z轴对称,则|AB|=________.
答案:2
解析:依题意,得知
A(2,-1,-3),B(-2,1,3),则=(-4,2,6),|AB|===2.
8.平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,AB=1,AD=2,AA1=3,∠BAD=90°,∠BAA1=∠DAA1=60°,则对角线A1C的长为( )
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A. B.
C. D.
答案:C
解析:由题意建立如图坐标系,
作A1A2⊥平面xAy,
由cos∠DAA1=cos∠A1AA2·cos∠DAA2,即cos60°=cos45°·cos∠A1AA2,
得cos∠A1AA2=.
分析可得A1(,,),C(1,2,0)
∴A1C==,故选C.
7.(2009·江西,9)如图所示,正四面体ABCD的顶点A,B,C分别在两两垂直的三条射线Ox,Oy,Oz上,则在下列命题中,错误的为 ( )
A.O-ABC是正三棱锥
B.直线OB∥平面ACD
C.直线AD与OB所成的角是45°
D.二面角D-OB-A的为45°
答案:B
解析:①如图,ABCD为正四面体,
∴△ABC为等边三角形,
又∵OA、OB、OC两两垂直.
∴OA⊥面OBC,∴OA⊥BC,
过O作底面ABC的垂线,垂足为N,
连结AN交BC于M,
由三垂线定理可知BC⊥AM,
∴M为BC的中点,
同理可证,连结CN交AC于P,则P为AB中点,∴N为底面△ABC中心,
∴O-ABC是正三棱锥,故A正确.
②将正四面体ABCD放入正方体中,如图所示,显然OB与面ACD不平行,故选B.
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