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文档介绍
【数学】2020届一轮复习(理)通用版考点测试46直线、平面垂直的判定及其性质作业
考点测试46 直线、平面垂直的判定及其性质 高考概览 考纲研读 1.以立体几何的定义、公理和定理为出发点,认识和理解空间中线、面垂直的有关性质与判定定理 2.能运用公理、定理和已获得的结论证明一些空间图形的垂直关系的简单命题 一、基础小题 1.下列条件中,能判定直线l⊥平面α的是( ) A.l与平面α内的两条直线垂直 B.l与平面α内无数条直线垂直 C.l与平面α内的某一条直线垂直 D.l与平面α内任意一条直线垂直 答案 D 解析 由直线与平面垂直的定义,可知D正确. 2.设l,m,n均为直线,其中m,n在平面α内,则“l⊥α”是“l⊥m且l⊥n”的( ) A.充分不必要条件 B.必要不充分条件 C.充要条件 D.既不充分也不必要条件 答案 A 解析 当l⊥α时,l⊥m且l⊥n.但当l⊥m,l⊥n时,若m,n 不是相交直线,则得不到l⊥α.即l⊥α是l⊥m且l⊥n的充分不必要条件.故选A. 3.给出下列四个命题: ①垂直于同一平面的两条直线相互平行; ②垂直于同一平面的两个平面相互平行; ③若一个平面内有无数条直线与另一个平面都平行,那么这两个平面相互平行; ④若一条直线垂直于一个平面内的任一直线,那么这条直线垂直于这个平面. 其中真命题的个数是( ) A.1 B.2 C.3 D.4 答案 B 解析 由直线与平面垂直的性质,可知①正确;正方体的相邻的两个侧面都垂直于底面,而不平行,故②错误;由直线与平面垂直的定义知④正确,而③错误. 4.若空间三条直线a,b,c满足a⊥b,b⊥c,则直线a与c( ) A.一定平行 B.一定相交 C.一定是异面直线 D.平行、相交、异面直线都有可能 答案 D 解析 当a,b,c共面时,a∥c;当a,b,c不共面时,a与c可能异面也可能相交. 5.下列命题中错误的是( ) A.如果平面α⊥平面β,那么平面α内一定存在直线平行于平面β B.如果平面α不垂直于平面β,那么平面α内一定不存在直线垂直于平面β C.如果平面α⊥平面γ,平面β⊥平面γ,α∩β=l,那么l⊥平面γ D.如果平面α⊥平面β,那么平面α内所有直线都垂直于平面β 答案 D 解析 对于D,若平面α⊥平面β,则平面α内的直线可能不垂直于平面β,即与平面β的关系还可以是斜交、平行或在平面β内,其他选项易知均是正确的. 6.如图,在斜三棱柱ABC-A1B1C1中,∠BAC=90°,BC1⊥AC,则C1在底面ABC上的射影H必在( ) A.直线AB上 B.直线BC上 C.直线AC上 D.△ABC内部 答案 A 解析 由AC⊥AB,AC⊥BC1,∴AC⊥平面ABC1. 又∵AC⊂平面ABC,∴平面ABC1⊥平面ABC. ∴C1在平面ABC上的射影H必在两平面交线AB上. 7.如图所示,在立体图形D-ABC中,若AB=CB,AD=CD,E是AC的中点,则下列结论正确的是( ) A.平面ABC⊥平面ABD B.平面ABD⊥平面BDC C.平面ABC⊥平面BDE,且平面ADC⊥平面BDE D.平面ABC⊥平面ADC,且平面ADC⊥平面BDE 答案 C 解析 因为AB=CB,且E是AC的中点, 所以BE⊥AC,同理有DE⊥AC, 而BE∩DE=E,所以AC⊥平面BDE. 因为AC在平面ABC内,所以平面ABC⊥平面BDE. 又由于AC在平面ADC内, 所以平面ADC⊥平面BDE.故选C. 8.如图所示,已知六棱锥P-ABCDEF的底面是正六边形,PA⊥平面ABCDEF,PA=2AB,则下列结论正确的是( ) A.PA⊥AD B.平面ABCDEF⊥平面PBC C.直线BC∥平面PAE D.直线PD与平面ABCDEF所成的角为30° 答案 A 解析 因为PA⊥平面ABCDEF,所以PA⊥AD,故选项A正确;选项B中两个平面不垂直,故选项B错;选项C中,AD与平面PAE相交,BC∥AD,故选项C错;选项D中,PD与平面ABCDEF所成的角为45°,故选项D错.故选A. 二、高考小题 9.(2017·全国卷Ⅲ)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为棱CD的中点,则( ) A.A1E⊥DC1 B.A1E⊥BD C.A1E⊥BC1 D.A1E⊥AC 答案 C 解析 如图,∵A1E在平面ABCD上的投影为AE,而AE不与AC,BD垂直,∴B,D错误; ∵A1E在平面BCC1B1上的投影为B1C,且B1C⊥BC1, ∴A1E⊥BC1,故C正确; (证明:由条件易知,BC1⊥B1C,BC1⊥CE,又CE∩B1C=C,∴BC1⊥平面CEA1B1.又A1E⊂平面CEA1B1, ∴A1E⊥BC1) ∵A1E在平面DCC1D1上的投影为D1E,而D1E不与DC1垂直,故A错误.故选C. 解法二(空间向量法):建立如图所示的空间直角坐标系,设正方体的棱长为1,则A(1,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),D(0,0,0),A1(1,0,1),C1(0,1,1),E, ∴=,=(0,1,1),=(-1,-1,0),=(-1,0,1),=(-1,1,0),∴·≠0,·≠0,·=0,·≠0,∴A1E⊥BC1.故选 C. 10.(2015·福建高考)若l,m是两条不同的直线,m垂直于平面α,则“l⊥m”是“l∥α”的( ) A.充分而不必要条件 B.必要而不充分条件 C.充分必要条件 D.既不充分也不必要条件 答案 B 解析 由“m⊥α且l⊥m”推出“l⊂α或l∥α”,但由“m⊥α且l∥α”可推出“l⊥m”,所以“l⊥m”是“l∥α”的必要而不充分条件.故选B. 三、模拟小题 11.(2018·大连双基测试)已知互不重合的直线a,b,互不重合的平面α,β,γ,给出下列四个命题,错误的命题是( ) A.若a∥α,a∥β,α∩β=b,则a∥b B.若α⊥β,a⊥α,b⊥β,则a⊥b C.若α⊥β,α⊥γ,β∩γ=a,则a⊥α D.若α∥β,a∥α,则a∥β 答案 D 解析 构造一个长方体ABCD-A1B1C1D1.对于D,平面ABCD∥平面A1B1C1D1,A1B1∥平面ABCDA1B1∥平面A1B1C1D1. 12.(2018·河南安阳二模)已知a,b表示两条不同的直线,α,β表示两个不同的平面,下列说法错误的是( ) A.若a⊥α,b⊥β,α∥β,则a∥b B.若a⊥α,b⊥β,a⊥b,则α⊥β C.若a⊥α,a⊥b,α∥β,则b∥β D.若α∩β=a,a∥b,则b∥α或b∥β 答案 C 解析 对于A,若a⊥α,α∥β,则a⊥β,又b⊥β,故a∥b,A正确;对于B,若a⊥α,a⊥b,则b⊂α或b∥α,∴存在直线m⊂α,使得m∥b,又b⊥β,∴m⊥β,∴α⊥β,故B正确;对于C,若a⊥α,a⊥b,则b⊂α或b∥α,又α∥β,∴b⊂β或b∥β,故C错误;对于D,若α∩β=a,a∥b,则b∥α或b∥β, 故D正确,故选C. 13.(2018·安徽亳州模拟)如图甲所示,在正方形ABCD中,E,F分别是BC,CD的中点,G是EF的中点,现在沿AE,AF及EF把这个正方形折成一个四面体,使B,C,D三点重合,重合后的点记为H,如图乙所示,那么,在四面体A-EFH中必有( ) A.AH⊥平面EFH B.AG⊥平面EFH C.HF⊥平面AEF D.HG⊥平面AEF 答案 A 解析 ∵AH⊥HE,AH⊥HF,且EH∩HF=H,∴AH⊥平面EFH,A正确;∵过A只有一条直线与平面EFH垂直,∴B不正确;∵AG⊥EF,EF⊥AH,AG∩AH=A,∴EF⊥平面HAG,∵EF⊂平面AEF,∴平面HAG⊥AEF,∴过H作平面AEF的垂线,一定在平面HAG内,∴C不正确;∵HG不垂直于AG,∴HG⊥平面AEF不正确,∴D不正确,故选A. 14.(2018·福建泉州二模)在下列四个正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F,G均为所在棱的中点,过E,F,G作正方体的截面,则在各个正方体中,直线BD1与平面EFG不垂直的是( ) 答案 D 解析 如图,在正方体中,E,F,G,M,N,Q均为所在棱的中点,易知E,F,G,M,N,Q六个点共面,直线BD1与平面EFMNQG垂直,并且选项A,B,C中的平面与这个平面重合,不满足题意,只有选项D中的直线BD1与平面EFG不垂直,满足题意.故选D. 15.(2018·南昌模拟)如果PA,PB,PC两两垂直,那么点P在平面ABC内的投影一定是△ABC的( ) A.重心 B.内心 C.外心 D.垂心 答案 D 解析 如图,O是点P在平面ABC内的投影,连接OA,OB,OC, ∵PA,PB,PC两两垂直,∴PA⊥平面PBC, 又BC⊂平面PBC,∴PA⊥BC, 而PO⊥平面ABC,BC⊂平面ABC,∴PO⊥BC, 又PA∩PO=P,∴BC⊥平面PAO. 又AO⊂平面PAO,∴BC⊥AO. 同理可知AC⊥BO,AB⊥CO. ∴O为△ABC的垂心.故选D. 16.(2018·南昌摸底)如图,四棱锥P-ABCD中,△PAB与△PBC是正三角形,平面PAB⊥平面PBC,AC⊥BD,则下列结论不一定成立的是( ) A.PB⊥AC B.PD⊥平面ABCD C.AC⊥DP D.平面PBD⊥平面ABCD 答案 B 解析 取BP中点O,连接OA,OC,易得BP⊥OA,BP⊥OC⇒BP⊥面OAC⇒BP⊥AC⇒选项A正确;又AC⊥BD⇒AC⊥面BDP⇒AC⊥PD,平面PBD⊥平面ABCD,所以选项C,D也正确.故选B. 17.(2018·山西临汾模拟)如图,已知四边形ABCD是边长为1的正方形,MD ⊥平面ABCD,NB⊥平面ABCD,且MD=NB=1,E为MC的中点,则下列结论不正确的是( ) A.平面BCE⊥平面ABN B.MC⊥AN C.平面CMN⊥平面AMN D.平面BDE∥平面AMN 答案 C 解析 分别过A,C作平面ABCD的垂线AP,CQ,使得AP=CQ=1,连接PM,PN,QM,QN,将几何体补成棱长为1的正方体.∴BC⊥平面ABN,又BC⊂平面BCE,∴平面BCE⊥平面ABN,故A正确;连接PB,则PB∥MC,显然,PB⊥AN,∴MC⊥AN,故B正确;取MN的中点F,连接AF,CF,AC.∵△AMN和△CMN都是边长为的等边三角形,∴AF⊥MN,CF⊥MN, ∴∠AFC为二面角A-MN-C的平面角,∵AF=CF=,AC=,∵AF2+CF2≠AC2,即∠AFC≠, ∴平面CMN与平面AMN不垂直,故C错误;∵DE∥AN,MN∥BD,DE∩BD=D,DE,BD⊂平面BDE,MN∩AN=N,MN,AN⊂平面AMN,∴平面BDE∥平面AMN,故D正确,故选C. 18.(2018·西安六校联考)已知四棱锥P-ABCD的底面ABCD是矩形,PA⊥底面ABCD,点E,F分别是棱PC,PD的中点,则 ①棱AB与PD所在的直线垂直;②平面PBC与平面ABCD垂直;③△PCD的面积大于△PAB的面积;④直线AE与直线BF是异面直线. 以上结论正确的是________.(写出所有正确结论的序号) 答案 ①③ 解析 由条件可得AB⊥平面PAD,∴AB⊥PD, 故①正确;∵PA⊥平面ABCD, ∴平面PAB,平面PAD都与平面ABCD垂直. 故平面PBC不可能与平面ABCD垂直,故②错误; ∵S△PCD=CD·PD,S△PAB=AB·PA, 由AB=CD,PD>PA,可知③正确; 由E,F分别是棱PC,PD的中点可得EF∥CD, 又AB∥CD,∴EF∥AB,故AE与BF共面,故④错误. 一、高考大题 1.(2018·全国卷Ⅰ)如图,四边形ABCD为正方形,E,F分别为AD,BC的中点,以DF为折痕把△DFC折起,使点C到达点P的位置,且PF⊥BF. (1)证明:平面PEF⊥平面ABFD; (2)求DP与平面ABFD所成角的正弦值. 解 (1)证明:由已知可得,BF⊥PF,BF⊥EF, 又PF∩EF=F,所以BF⊥平面PEF. 又BF⊂平面ABFD,所以平面PEF⊥平面ABFD. (2)作PH⊥EF,垂足为H. 由(1),得PH⊥平面ABFD. 以H为坐标原点,的方向为y轴正方向,||为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系Hxyz. 由(1)可得,DE⊥PE.又DP=2,DE=1,所以PE=. 又PF=1,EF=2,故PE⊥PF. 所以PH=,EH=,则H(0,0,0),P,D,=,=0,0,为平面ABFD的法向量. 设DP与平面ABFD所成的角为θ, 则sinθ===. 所以DP与平面ABFD所成角的正弦值为. 2.(2018·北京高考)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,CC1⊥平面ABC,D,E,F,G分别为AA1,AC,A1C1,BB1的中点,AB=BC=,AC=AA1=2. (1)求证:AC⊥平面BEF; (2)求二面角B-CD-C1的余弦值; (3)证明:直线FG与平面BCD相交. 解 (1)证明:在三棱柱ABC-A1B1C1中, 因为CC1⊥平面ABC,所以四边形A1ACC1为矩形, 又E,F分别为AC,A1C1的中点,所以AC⊥EF. 因为AB=BC,所以AC⊥BE. 所以AC⊥平面BEF. (2)由(1)知AC⊥EF,AC⊥BE,EF∥CC1. 又CC1⊥平面ABC,所以EF⊥平面ABC. 因为BE⊂平面ABC,所以EF⊥BE. 如图建立空间直角坐标系Exyz. 由题意得B(0,2,0),C(-1,0,0),D(1,0,1),F(0,0,2),G(0,2,1). 所以=(-1,-2,0),=(1,-2,1). 设平面BCD的法向量为n=(x0,y0,z0), 则则 令y0=-1,则x0=2,z0=-4. 于是n=(2,-1,-4). 又因为平面CC1D的一个法向量为=(0,2,0), 所以cos〈n,〉==-. 由题知二面角B-CD-C1为钝角,所以其余弦值为-. (3)证明:由(2)知平面BCD的一个法向量为 n=(2,-1,-4),=(0,2,-1). 因为n·=2×0+(-1)×2+(-4)×(-1)=2≠0,所以直线FG与平面BCD相交. 3.(2017·全国卷Ⅲ)如图,四面体ABCD中,△ABC是正三角形,△ACD是直角三角形,∠ABD=∠CBD,AB=BD. (1)证明:平面ACD⊥平面ABC; (2)过AC的平面交BD于点E,若平面AEC把四面体ABCD分成体积相等的两部分,求二面角D-AE-C的余弦值. 解 (1)证明:由题设可得△ABD≌△CBD, 从而AD=CD. 又△ACD是直角三角形,所以∠ADC=90°. 取AC的中点O,连接DO,BO,则DO⊥AC,DO=AO. 又因为△ABC是正三角形,故BO⊥AC, 所以∠DOB为二面角D-AC-B的平面角. 在Rt△AOB中,BO2+AO2=AB2, 又AB=BD,所以BO2+DO2=BO2+AO2=AB2=BD2, 故∠DOB=90°. 所以平面ACD⊥平面ABC. (2)由题设及(1)知,OA,OB,OD两两垂直, 以O为坐标原点,的方向为x轴正方向,||为单位长度,建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz, 则A(1,0,0),B(0,,0),C(-1,0,0),D(0,0,1). 由题设知,四面体ABCE的体积为四面体ABCD的体积的,从而E到平面ABC的距离为D到平面ABC的距离的,即E为DB的中点,得E, 故=(-1,0,1),=(-2,0,0), =. 设n=(x,y,z)是平面DAE的法向量, 则即 可取n=. 设m是平面AEC的法向量,则 同理可取m=(0,-1,), 则cos〈n,m〉==. 所以二面角D-AE-C的余弦值为. 二、模拟大题 4.(2018·河南郑州二模)如图所示,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,△DAB≌△DCB,E为线段BD上的一点,且EB=ED=EC=BC,连接CE并延长交AD于F. (1)若G为PD的中点,求证:平面PAD⊥平面CGF; (2)若BC=2,PA=3,求平面BCP与平面DCP所成锐二面角的余弦值. 解 (1)证明:在△BCD中,EB=ED=EC=BC, 故∠BCD=,∠CBE=∠CEB=,连接AE, ∵△DAB≌△DCB,∴△EAB≌△ECB, 从而有∠FED=∠BEC=∠AEB=,AE=CE=DE. ∴∠AEF=∠FED=, 故EF⊥AD,AF=FD. 又PG=GD,∴GF∥PA. 又PA⊥平面ABCD,故GF⊥平面ABCD, ∴GF⊥AD,又GF∩EF=F,故AD⊥平面CFG. 又AD⊂平面PAD,∴平面PAD⊥平面CGF. (2)以点A为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系, 则A(0,0,0),B(2,0,0),C(3,,0),D(0,2,0),P(0,0,3). 故=(1,,0),=(-3,-,3),=(-3,,0). 设平面BCP的一个法向量为n1=(1,y1,z1), 则解得 即n1=1,-,. 设平面DCP的一个法向量为n2=(1,y2,z2), 则解得 即n2=(1,,2). 从而平面BCP与平面DCP所成锐二面角的余弦值为==. 5.(2018·江西南昌二中模拟)如图,在等腰梯形ABCD中,∠ABC=60°,CD=2,AB=4,点E为AB的中点,现将该梯形中的三角形BEC沿线段EC折起,形成四棱锥B-AECD. (1)在四棱锥B-AECD中,求证:AD⊥BD; (2)若平面BEC与平面AECD所成二面角的平面角为120°,求直线AE与平面ABD所成角的正弦值. 解 (1)证明:由三角形BEC沿线段EC折起前,∠ABC=60°,CD=2,AB=4,点E为AB的中点,得三角形BEC沿线段EC折起后,四边形AECD为菱形,边长为2,∠DAE=60°,如图,取EC的中点F,连接DF,BF,DE. ∵△BEC和△DEC均为正三角形, ∴EC⊥BF,EC⊥DF,又BF∩DF=F, ∴EC⊥平面BFD, ∵AD∥EC,∴AD⊥平面BFD, ∵BD⊂平面BFD,∴AD⊥BD. (2)以F为坐标原点,建立如图的空间直角坐标系, 由EC⊥平面BFD,知z轴在平面BFD内, ∵BF⊥EC,DF⊥EC, ∴∠BFD为平面BEC与平面AECD所成二面角的平面角,∴∠BFD=120°,∴∠BFz=30°, 又∵BF=, ∴点B的横坐标为-,点B的竖坐标为. 因D(,0,0),E(0,1,0),A(,2,0),B-,0,, 故=(-,-1,0),=,0,-,=(0,-2,0). 设平面ABD的法向量为n=(x,y,z), ∴ 得 令x=1,得y=0,z=, ∴平面ABD的一个法向量为n=(1,0,), ∴cos〈,n〉= = =-, ∵直线AE与平面ABD所成角为锐角, ∴直线AE与平面ABD所成角的正弦值为. 6.(2018·江西联考)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,B1B=B1A=AB=BC,∠B1BC=90°,D为AC的中点,AB⊥B1D. (1)求证:平面ABB1A1⊥平面ABC; (2)在线段CC1(不含端点)上,是否存在点E,使得二面角E-B1D-B的余弦值为-?若存在,求出的值;若不存在,说明理由. 解 (1)证明:取AB的中点O,连接OD,OB1. 因为B1B=B1A, 所以OB1⊥AB. 又AB⊥B1D,OB1∩B1D=B1, 所以AB⊥平面B1OD. 因为OD⊂平面B1OD, 所以AB⊥OD. 由已知条件知,BC⊥BB1, 又OD∥BC,所以OD⊥BB1. 因为AB∩BB1=B,所以OD⊥平面ABB1A1. 因为OD⊂平面ABC,所以平面ABB1A1⊥平面ABC. (2)由(1)知OB,OD,OB1两两垂直,所以以O为坐标原点,的方向为x轴的方向,||为单位长度1,建立如图所示的空间直角坐标系. 由题设知,B1(0,0,),B(1,0,0),D(0,1,0),A(-1,0,0),C(1,2,0),C1(0,2,),∴=(0,1,-),=(1,0,-),设=λ(0<λ<1), 则=+=(1-λ,2,(λ-1)). 设平面BB1D的法向量为m=(x1,y1,z1), 则得 令z1=1,则x1=y1=,所以平面BB1D的一个法向量m=(,,1). 设平面B1DE的法向量为n=(x2,y2,z2), 则得 令z2=1,则x2=,y2=, 所以平面B1DE的一个法向量n=. 设二面角E-B1D-B的大小为θ, 则cosθ===-. 解得λ=. 所以在线段CC1上存在点E,使得二面角E-B1D-B的余弦值为-,此时=.查看更多