30.(朝阳·理·题17)
如图,在三棱柱
中,每个侧面均为正方形,
为底边
的中点,
为侧棱
的中点.
⑴求证:
平面
;
⑵求证:
平面
;
⑶求直线
与平面
所成角的正弦值.
![]()
[解析]
⑴设
和
的交点为
,连接
,连接
,
![]()
因为
为
的中点,
为
的中点,
所以
,且
又
是
中点,
则
且
,
所以
且
.
所以四边形
为平行四边形,
所以
.
又
平面
,
平面
,
则
平面
……………………5分
⑵因为三棱柱各侧面都是正方形,
所以
,
所以
平面
.
因为
平面
,所以
.
由已知得
,
所以
.
所以
平面![]()
由⑴可知
,
所以
平面
.
所以
.
因为侧面是正方形,所以
.
又
平面
,
平面
.
所以
平面
.
⑶取
中点
,连接
.
![]()
在三棱柱
中,
因为
平面![]()
所以侧面
底面
.
因为底面
是正三角形,且
是
中点,
所以
,所以
侧面
.
所以
是
在平面
上的射影,
所以
是
与平面
所成角.
. ………………14分
解法二:如图所示,建立空
间直角坐标系.
![]()
设边长为2,可求得
,
.
⑴易知,
,
,所以
,所以
.
又
,则
平面
…………5分
⑵易得,![]()
所以
.
所以
.
又因为
平面
.
所以
平面
.………………10分
⑶设侧面
的法向量为
.
因为
.
所以
.
由
得
解得
.
不妨令
,设直线
与平面
所成角为
,
所以
.
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.
29.(崇文·文·题17)
三棱柱
中,侧棱与底面垂直,
,
,
分别是
,
的中点.
⑴求证:
平面
;
⑵求证:
平面
;
⑶求三棱锥![]()
的体积.
![]()
[解析]
⑴连结
,
,
∵
是
,
的中点![]()
∴![]()
.
又∵
平面
,
∴
平面
.
⑵∵三棱柱
中,侧棱与底面垂直,
∴四边形
是正方形.
∴
.
∴
.
连结
,
.
∴
,
又
中
的中点,
∴
.
∵
与
相交于点
,
∴
平面
.
⑶由⑵知
是三棱锥![]()
的高.
在直角
中,
,
∴
.
又
.
.
28.(崇文·理·题17)
三棱柱
中,侧棱与底面垂直,
,
,
分别是
,
的中点.
⑴求证:
平面
;
⑵求证:
平面
;
⑶求二面角
的余弦值.
![]()
[解析]
⑴连结
,
.在
中,
∵
是
,
的中点,∴![]()
.
又∵
平面
,
∴
平面
.
--------------------4分
⑵如图,以
为原点建立空间直角坐标系
.
![]()
则
,
,
,
,![]()
![]()
,
,
.
设平面
的法向量为
.
![]()
令
,则
,∴
.∴
.
∴
平面
.
--------------------9分
⑶设平面
的法向量为
,
.
![]()
令
,则![]()
∴
.
∴
.
所求二面角
的余弦值为
.
27.(宣武·文·题16)
如图,在四棱锥
中,
平面
,底面
为直角梯形,
,
,
分别为棱
的中点.
⑴求证:
;
⑵求证:
平面
.
![]()
[解析]
⑴∵
平面
,
平面![]()
∴![]()
∵![]()
∴![]()
∴
平面![]()
又
是
中点,
∴
平面![]()
∴
.
⑵证明:取
中点
,连结
,
,
![]()
∵
为
中点,∴
.
∵
平面
,
平面
, [
∴
平面
;
同理,
平面
.
∵
,
∴平面
平面
.
∴
平面
.
26.(宣武·理·题16)
如图,在四棱锥
中,
平面
,底面
为直角梯形,
,
.
为
中点,
为
中点.
⑴求证:
;
⑵求二面角
的余弦值;
⑶若四棱锥
的体积为
,求
的长.
![]()
[解析]
⑴∵
平面
,
平面![]()
∴![]()
∵![]()
∴![]()
∴
平面![]()
又
是
中点,
∴
平面![]()
∴
.
⑵建立直角坐标系
,设![]()
则![]()
∴![]()
由⑴知,
平面
,
∴
是平面
的法向量.
设平面
的法向量为
,
则
且
,
∴
.
∴
,
二面角
的余弦值为
.
⑶连结
,设
,
,∴
.
∵
是直角三角形,
∴
.
25.(东城·文·题17)
三棱柱
中,
平面
,
是边长为
的等边三角形,
为
边中点,且
.
⑴求证:平面
平面
;
⑵求证:
平面
;
⑶求三棱锥
的体积.
![]()
[解析]
⑴因为
平面
,又
平面
,
所以平面
平面
.
⑵证明:连结
交
于
,连结
,则
是
的中点,
是
的中位线.
![]()
所以
.
因为
平面
,所以
平面
;
⑶因为
平面
,所以![]()
平面
,所以
为三棱锥
的高.
.
所以三棱锥
的体积为
.
24.(东城·理·题17)
如图所示,在边长为
的正方形
中,点
在线段
上,且
,
,作![]()
![]()
,分别交
,
于点
,
,作![]()
![]()
,分别交
,
于点
,
,将该正方形沿
,
折叠,使得
与
重合,构成如图所示的三棱柱
.
⑴求证:
平面
;
⑵求四棱锥
的体积;
⑶求平面
与平面
所成锐二面角的余弦值.
![]()
[解析]
⑴在正方形
中,因为
,
所以三棱柱
的底面三角形
的边
.
因为
,
,
所以
,所以
.
因为四边形
为正方形,
,
所以
,而
,
所以
平面
.
⑵因为
平面
,所以
为四棱锥
的高.
因为四边形
为直角梯形,且
,
,
所以梯形
的面积为
.
所以四棱锥
的体积
.
⑶由⑴、⑵可知,
,
,
两两互相垂直.以
为原点,建立如图所示的空间直角坐标系
,
![]()
则
,
,
,
,
,
所以
,
,
设平面
的一个法向量为
.
则
,即
.
令
,则
.所以
.
显然平面
的一个法向量为
.
设平面
与平面
所成锐二面角为
,
则
.
所以平面
与平面
所成锐二面角的余弦值为
.
23.(西城·文·题17)
如图,在三棱锥
中,
平面
,
,
为侧棱
上一点,
它的正(主)视图和侧(左)视图如图所示.
⑴证明:
平面
;
⑵求三棱锥
的体积;
⑶在
的平分线上确定一点
,使得
平面
,并求此时
的长.
![]()
[解析]
⑴因为
平面
,所以
,
又
,所以
平面
,所以
.
由三视图可得,在
中,
,
为
中点,所以
,
所以
平面
,
⑵由三视图可得
,
由⑴知
,
平面
,
又三棱锥
的体积即为三棱锥
的体积,
所以,所求三棱锥的体积
.
⑶取
的中点
,连接
并延长至
,使得
,点
即为所求.
![]()
因为
为
中点,所以
,
因为
平面
,
平面
,所以
平面
,
连接
,
,四边形
的对角线互相平分,
所以
为平行四边形,所以
,又
平面
,
所以在直角
中,
.
22.(西城·理·题17)
在四棱锥
中,侧面
底面
,
,
为
中点,底面
是直角梯形,
,
=90°,
,
.
⑴求证:![]()
平面
;
⑵求证:
平面
;
⑶设
为侧棱
上一点,
,试确定
的值,使得二面角
为45°.
![]()
[解析]
⑴取
的中点
,连结
,
因为
为
中点,所以
,且![]()
在梯形
中,
,
,
所以
,
,四边形
为平行四边形,
所以
,
![]()
平面
,![]()
平面
,
所以
平面
.
⑵平面
底面
,
,所以
平面
,所以
.
如图,以
为原点建立空间直角坐标系
.
则
,
,
,
.
.
所以
.
又由
平面
,可得
,
所以
平面
.
![]()
⑶平面
的法向量为
,
,
所以
,
设平面
的法向量为
,
由
,
,得
,
所以
,
所以
,
注意到
,得
.
21.(石景山·文·题17)
如图,已知直三棱柱
,
,
,
.
、
分别是棱
、
中点.
⑴求证:![]()
;
⑵求四棱锥
的体积;
⑶判断直线
和平面
的位置关系,并加以证明.
![]()
[解析]
⑴∵三棱柱
是直棱柱,
∴
平面
.
又∵
平面
,
∴![]()
.
⑵解:∵三棱柱
是直棱柱,
∴
平面
.
又∵
平面
,
∴![]()
.
∵
,
∴![]()
.
∵![]()
![]()
,
∴![]()
平面
.
∴
.
∵
是棱
的中点,
∴
.
∴
.
∴
.
⑶解:
平面
.证明如下:
取
的中点
,联结
,
.
![]()
∵
、
分别是棱
、
中点,
∴
,![]()
.
又∵
,
,
∴
,
.
∴四边形
是平行四边形,
∴
∥
.
又∵
平面
,
平面
,
∴
平面
.
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