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文档介绍
2019届二轮复习 立体几何[解答题突破练]学案(全国通用)
第16练 立体几何[解答题突破练] [明晰考情] 1.命题角度:高考中考查线面的位置关系和线面角,更多体现传统方法.2.题目难度:中档难度. 考点一 空间中的平行、垂直关系 方法技巧 (1)平行关系的基础是线线平行,比较常见的是利用三角形中位线构造平行关系,利用平行四边形构造平行关系. (2)证明线线垂直的常用方法 ①利用特殊平面图形的性质,如利用直角三角形、矩形、菱形、等腰三角形等得到线线垂直; ②利用勾股定理的逆定理; ③利用线面垂直的性质. 1.如图,在六面体ABCDE中,平面DBC⊥平面ABC,AE⊥平面ABC. (1)求证:AE∥平面DBC; (2)若AB⊥BC,BD⊥CD,求证:AD⊥DC. 证明 (1)过点D作DO⊥BC,O为垂足. 又∵平面DBC⊥平面ABC,平面DBC∩平面ABC=BC,DO⊂平面DBC, ∴DO⊥平面ABC. 又AE⊥平面ABC, ∴AE∥DO. 又AE⊄平面DBC,DO⊂平面DBC, 故AE∥平面DBC. (2)由(1)知,DO⊥平面ABC,AB⊂平面ABC, ∴DO⊥AB. 又AB⊥BC,且DO∩BC=O,DO,BC⊂平面DBC, ∴AB⊥平面DBC. ∵DC⊂平面DBC, ∴AB⊥DC. 又BD⊥CD,AB∩DB=B,AB,DB⊂平面ABD, ∴DC⊥平面ABD. 又AD⊂平面ABD, ∴AD⊥DC. 2.(2018·江苏)如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中, AA1=AB,AB1⊥B1C1. 求证:(1)AB∥平面A1B1C; (2)平面ABB1A1⊥平面A1BC. 证明 (1)在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,AB∥A1B1. 因为AB⊄平面A1B1C,A1B1⊂平面A1B1C, 所以AB∥平面A1B1C. (2)在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中, 四边形ABB1A1为平行四边形. 又因为AA1=AB, 所以四边形ABB1A1为菱形, 因此AB1⊥A1B. 又因为AB1⊥B1C1,BC∥B1C1, 所以AB1⊥BC. 又因为A1B∩BC=B,A1B,BC⊂平面A1BC, 所以AB1⊥平面A1BC. 因为AB1⊂平面ABB1A1, 所以平面ABB1A1⊥平面A1BC. 3.(2018·全国Ⅱ)如图,在三棱锥P-ABC中,AB=BC=2,PA=PB=PC=AC=4,O为AC的中点. (1)证明:PO⊥平面ABC; (2)若点M在棱BC上,且MC=2MB,求点C到平面POM的距离. (1)证明 因为PA=PC=AC=4,O为AC的中点, 所以OP⊥AC,且OP=2. 如图,连接OB. 因为AB=BC=AC, 所以△ABC为等腰直角三角形, 所以OB⊥AC,OB=AC=2. 由OP2+OB2=PB2知PO⊥OB. 因为OP⊥OB,OP⊥AC,OB∩AC=O, OB,AC⊂平面ABC, 所以PO⊥平面ABC. (2)解 作CH⊥OM,垂足为H, 又由(1)可得OP⊥CH, 因为OM∩OP=O,OM,OP⊂平面POM, 所以CH⊥平面POM. 故CH的长为点C到平面POM的距离. 由题意可知OC=AC=2,CM=BC=, ∠ACB=45°, 所以在△OMC中,由余弦定理可得OM=, CH==. 所以点C到平面POM的距离为. 4.如图所示,三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,PA=1,AB=1,AC=2,∠BAC=60°. (1)求三棱锥P-ABC的体积; (2)证明:在线段PC上存在点M,使得AC⊥BM,并求的值. 解 (1)∵AB=1,AC=2,∠BAC=60°, ∴S△ABC=·AB·AC·sin 60°=. 由PA⊥平面ABC可知,PA是三棱锥P-ABC的高,且PA=1, ∴三棱锥P-ABC的体积V=·S△ABC·PA=. (2)在平面ABC内,过点B作BN⊥AC,垂足为N,在平面PAC内,过点N作MN∥PA交PC于点M,连接BM. ∵PA⊥平面ABC,AC⊂平面ABC, ∴PA⊥AC, ∴MN⊥AC. 又∵BN⊥AC,BN∩MN=N,BN,MN⊂平面BMN, ∴AC⊥平面MBN. 又∵BM⊂平面MBN,∴AC⊥BM. 在Rt△BAN中,AN=AB·cos∠BAC=, 从而NC=AC-AN=, 由MN∥PA,得==. 考点二 空间角的求解 要点重组 设直线l,m的方向向量分别为a=(a1,b1,c1),b=(a2,b2,c2).平面α,β的法向量分别为u=(a3,b3,c3),v=(a4,b4,c4)(以下相同). (1)线线角 设l,m所成的角为θ,则 cos θ==. (2)线面角 设直线l与平面α所成的角为θ, 则sin θ=|cos〈a,u〉|=. (3)二面角 设α-l-β的平面角为θ, 则|cos θ|=|cos〈u,v〉|=. 方法技巧 求空间角的两种方法 (1)按定义作出角,然后利用图形计算. (2)利用空间向量,计算直线的方向向量和平面的法向量,通过向量的夹角计算. 5.(2018·诸暨模拟)如图,在四棱锥P-ABCD中,平面PAD⊥平面ABCD,△PAD是边长为2的等边三角形,底面ABCD是直角梯形,∠BAD=∠CDA=,AB=2CD=2,E是CD的中点. (1)证明:AE⊥PB; (2)设F是棱PB上的点,EF∥平面PAD,求EF与平面PAB所成角的正弦值. (1)证明 取AD的中点G,连接PG,BG, 平面PAD⊥平面ABCD,PG⊥AD,平面PAD∩平面ABCD=AD,PG⊂平面PAD, ∴PG⊥平面ABCD,∴AE⊥PG. 又∵tan∠DAE=tan∠ABG,∴AE⊥BG. 又∵PG∩BG=G,PG,BG⊂平面PBG, ∴AE⊥平面PBG,∴AE⊥PB. (2)解 作FH∥AB交PA于点H,连接DH, ∵EF∥平面PAD,平面FHDE∩平面PAD=DH, ∴EF∥DH. ∴四边形FHDE为平行四边形. ∴HF=DE=AB, 即H为PA的一个四等分点. 又AB⊥AD,平面ABCD⊥平面PAD,平面ABCD∩平面PAD=AD,AB⊂平面ABCD, ∴AB⊥平面PAD, 作DK⊥PA于点K, ∴AB⊥DK,DK⊥PA,PA∩AB=A,PA,AB⊂平面PAB, ∴DK⊥平面PAB, ∴∠DHK为所求线面角, sin∠DHK===. 6.在三棱柱ABC-A1B1C1中,侧面AA1B1B是边长为2的正方形,点C在平面AA1B1B上的射影H恰好为A1B的中点,且CH=,设D为CC1的中点. (1)求证:CC1⊥平面A1B1D; (2)求DH与平面AA1C1C所成角的正弦值. 方法一 (几何法) (1)证明 因为CC1∥AA1且在正方形AA1B1B中AA1⊥A1B1, 所以CC1⊥A1B1, 取A1B1的中点E,连接DE,HE, 则HE∥BB1∥CC1且HE=BB1=CC1. 又D为CC1的中点, 所以HE∥CD且HE=CD, 所以四边形HEDC为平行四边形, 因此CH∥DE, 又CH⊥平面AA1B1B, 所以CH⊥HE,DE⊥HE, 所以DE⊥CC1, 又A1B1∩DE=E,A1B1,DE⊂平面A1B1D, 所以CC1⊥平面A1B1D. (2)解 取AA1的中点F,连接CF,作HK⊥CF于点K, 因为CH∥DE,FH∥A1B1,CH∩FH=H,DE∩A1B1=E, 所以平面CFH∥平面A1B1D, 由(1)得CC1⊥平面A1B1D, 所以CC1⊥平面CFH,又HK⊂平面CFH, 所以HK⊥CC1, 又HK⊥CF,CF∩CC1=C,CF,CC1⊂平面AA1C1C, 所以HK⊥平面AA1C1C, 所以DH与平面AA1C1C所成的角为∠HDK. 在Rt△CFH中,CF==2,KH=, 在Rt△DHK中, 由于DH=2,sin∠HDK==, 故DH与平面AA1C1C所成角的正弦值为. 方法二 (向量法) (1)证明 如图,以H为原点,建立空间直角坐标系, 则C(0,0,),C1(,,),A1(,0,0), B1(0,,0),D, 所以=(,,0),=, =. 所以·=0,·=0, 因此CC1⊥平面A1B1D. (2)解 设平面AA1C1C的法向量为n=(1,x,y), 由于=(,,0),=(-,0,), 则n·=+x=0, n·=-+y=0, 得x=-1,y=, 所以n=. 又=, 设θ为DH与平面AA1C1C所成的角, 所以sin θ===, 故DH与平面AA1C1C所成角的正弦值为. 7.(2018·浙江省杭州市第二中学模拟)如图,在四边形ABCD中,AB∥CD,∠ABD=30°,AB=2CD=2AD=2,DE⊥平面ABCD,EF∥BD,且BD=2EF. (1)求证:平面ADE⊥平面BDEF; (2)若二面角C-BF-D的大小为60°,求CF与平面ABCD所成角的正弦值. (1)证明 在△ABD中,∠ABD=30°, 由AD2=AB2+BD2-2AB·BDcos 30°, 解得BD=, 所以AD2+BD2=AB2, 根据勾股定理得∠ADB=90°, ∴AD⊥BD. 又因为DE⊥平面ABCD,AD⊂平面ABCD, 所以AD⊥DE. 又因为BD∩DE=D,BD,DE⊂平面BDEF, 所以AD⊥平面BDEF, 又AD⊂平面ADE, 所以平面ADE⊥平面BDEF, (2)解 方法一 如图,由(1)可得∠ADB=90°,∠ABD=30°, 则∠BDC=30°,则△BCD为锐角为30°的等腰三角形. CD=CB=1, 则CG=. 过点C作CH∥DA,交DB,AB于点G,H, 则点G为点F在平面ABCD上的投影.连接FG, 则CG⊥BD,DE⊥平面ABCD,则CG⊥平面BDEF. 过点G作GI⊥BF于点I,连接HI,CI, 则BF⊥平面GCI, 即∠GIC为二面角C-BF-D的平面角, 则∠GIC=60°. 则tan 60°=,CG=,则GI= . 在直角梯形BDEF中,G为BD的中点,BD=,GI⊥BF,GI=, 设DE=x ,则GF=x, S△BGF=·BG·GF=·BF·GI, 则DE=.tan∠FCG==, 则sin∠FCG=,即CF与平面ABCD所成角的正弦值为. 方法二 由题意可知DA,DB,DE两两垂直,以D为坐标原点,DA,DB,DE所在直线为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz. 设DE=h,则D(0,0,0),B(0,,0),C,F. =,=, 设平面BCF的法向量为m=(x,y,z), 则 所以取x=, 所以m=, 取平面BDEF的法向量为n=(1,0,0), 由|cos〈m,n〉|==cos 60°, 解得h=,则DE=, 又=, 则||=, 设CF与平面ABCD所成的角为α, 则sin α==. 故直线CF与平面ABCD所成角的正弦值为. 8.如图,在四棱锥P-ABCD ,底面ABCD为梯形,AD∥BC,AB=BC=CD=1,DA=2,DP⊥平面ABP,O,M分别是AD,PB的中点. (1)求证:PD∥平面OCM; (2)若AP与平面PBD所成的角为60°,求线段PB的长. (1)证明 连接OB,设BD与OC的交点为N,连接MN. 因为O为AD的中点,AD=2, 所以OA=OD=1=BC. 又因为AD∥BC, 所以四边形OBCD为平行四边形, 所以N为BD的中点, 又因为M为PB的中点, 所以MN∥PD. 又因为MN⊂平面OCM,PD⊄平面OCM, 所以PD∥平面OCM. (2)解 由四边形OBCD为平行四边形,知OB=CD=1, 所以△AOB为等边三角形,所以∠BAD=60° 所以BD==, 即AB2+BD2=AD2,即AB⊥BD. 因为DP⊥平面ABP,所以AB⊥PD. 又因为BD∩PD=D,BD,PD⊂平面BDP, 所以AB⊥平面BDP, 所以∠APB为AP与平面PBD所成的角,即∠APB=60°, 所以在Rt△ABP中,可得PB=. 例 (15分)如图,已知在矩形ABCD中,AB=4,AD=3,现将△DAC沿着对角线AC向上翻折到△PAC的位置,此时PA⊥PB. (1)求证:平面PAB⊥平面ABC; (2)求直线AB与平面PAC所成角的正弦值. 审题路线图 (1)―→―→―→ → (2)方法一 (作角) ―→―→ 方法二 (向量法) ―→―→ ―→―→ 规范解答·评分标准 (1)证明 因为PA⊥PB,PA⊥PC,PB∩PC=P, 所以PA⊥平面PBC,2分 所以PA⊥BC, 又BC⊥AB,AB∩AP=A, 所以BC⊥平面PAB,4分 又BC⊂平面ABC, 所以平面PAB⊥平面ABC.6分 (2)解 方法一 如图,作BD⊥PC于点D,连接AD, 由(1)知,PA⊥平面PBC, 所以PA⊥BD, 而BD⊥PC,PA∩PC=P,PA,PC⊂平面PAC, 所以BD⊥平面PAC, 所以∠BAD为直线AB与平面PAC所成的角.9分 在Rt△PBC中,BC=3,PC=4,PB=, 所以BD=,又AB=4, 在Rt△ADB中,sin∠BAD==,13分 所以直线AB与平面PAC所成角的正弦值为.15分 方法二 由(1)知平面PAB⊥平面ABC, 所以在平面PAB内,过点P作PE⊥AB于点E, 则PE⊥平面ABC, 如图,以B为坐标原点,建立空间直角坐标系(z轴与直线PE平行), 在Rt△PBC中,BC=3,PC=4,PB=, 在Rt△APB中,AP=3,AB=4,PE=,BE=, 可知A(0,-4,0),B(0,0,0),C(-3,0,0), P,=(-3,4,0),=,10分 则易得平面PAC的一个法向量为m=,12分 =(0,4,0),所以cos〈,m〉==, 故直线AB与平面PAC所成角的正弦值为.15分 构建答题模板 方法一 [第一步] 找垂直:利用图形中的线线垂直推证线面垂直和面面垂直. [第二步] 作角:利用定义结合垂直关系作出所求角. [第三步] 计算:将所求角放在某三角形中,计算. 方法二 [第一步] 找垂直:利用图形中的线线垂直推证线面垂直和面面垂直,同时为建系作准备. [第二步] 写坐标:建立空间直角坐标系,写出特殊点的坐标. [第三步] 求向量:求直线的方向向量或平面的法向量. [第四步] 求夹角:计算向量的夹角,得到所求的线面角或二面角. 1.在四棱锥P-ABCD中,侧面PAD⊥底面ABCD,底面ABCD为梯形,AB∥CD,∠ABC=∠BCD=90°,BC=CD==2. (1)证明:BD⊥PA; (2)若△PAD为正三角形,求直线PA与平面PBD所成角的余弦值. (1)证明 在直角梯形ABCD中,因为AD==2,BD==2,AB=4, 所以AD2+BD2=AB2,所以BD⊥AD. 又侧面PAD⊥底面ABCD,侧面PAD∩底面ABCD=AD,BD⊂底面ABCD, 所以BD⊥平面PAD, 又PA⊂平面PAD, 所以BD⊥PA. (2)解 方法一 如图,取PD的中点M,连接AM,BM. 因为△PAD为正三角形,所以AM⊥PD. 又由(1)知,BD⊥平面PAD, 所以平面PBD⊥平面PAD, 又平面PAD∩平面PBD=PD,AM⊂平面PAD, 所以AM⊥平面PBD, 故∠APM即为直线PA与平面PBD所成的角. 故cos∠APM=, 即直线PA与平面PBD所成角的余弦值为. 方法二 在平面PAD内,过点P作PQ⊥AD,垂足为Q,取AB的中点N,连接QN,易知,PQ,AQ,QN两两垂直. 以Q为坐标原点,QA,QN,QP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系,如图所示. 则P(0,0,),A(,0,0), B(-,2,0),D(-,0,0). 设n=(x,y,z)为平面PBD的法向量. 由n·=0,n·=0,且=(0,2,0), =(-,0,-), 得 取z=-1,则n=( ,0,-1), 又=(,0,-), 所以cos〈n,〉==, 因此直线PA与平面PBD所成角的余弦值为. 2.设平面ABCD⊥平面ABEF,AB∥CD,AB∥EF,∠BAF=∠ABC=90°,BC=CD=AF=EF=1,AB=2. (1)证明: CE∥平面ADF; (2)求直线DF与平面BDE所成角的正弦值. (1)证明 ∵AB∥CD, AB∥EF,∴CD∥EF. 又∵CD=EF, ∴四边形CDFE是平行四边形. ∴CE∥DF,又CE⊄平面ADF,DF⊂平面ADF, ∴CE∥平面ADF. (2)解 取AB的中点G,连接CG交BD于点O,连接EO,EG. ∵CD∥EF, ∴DF与平面BDE所成的角等于CE与平面BDE所成的角. ∵AB⊥AF,平面ABCD⊥平面ABEF, ∴AF⊥平面ABCD. 又∵EG∥AF, ∴EG⊥平面ABCD, ∴EG⊥BD.连接DG, 在正方形BCDG中,BD⊥CG, 故BD⊥平面ECG. ∴平面BDE⊥平面ECG. 在平面CEO中,作CH⊥EO,交直线EO的延长线于点H,得CH⊥平面BDE. ∴∠CEH是CE与平面BDE所成的角. 过点G作GQ⊥EO. ∵OC=OG, ∴CH=GQ=. ∵CE=, ∴sin∠CEH==. 3.(2018·宁波模拟)如图,在四棱锥P-ABCD中,△PAD为正三角形,四边形ABCD为直角梯形,CD∥AB,BC⊥AB,平面PAD⊥平面ABCD,点E,F分别为AD,CP的中点,AD=AB=2CD=2. (1)证明:直线EF∥平面PAB; (2)求直线EF与平面PBC所成角的正弦值. (1)证明 设BC的中点为M,连接EM,FM, 易知EM∥AB,FM∥PB, 因为EM∥AB,EM⊄平面PAB,AB⊂平面PAB, 所以EM∥平面PAB. 同理FM∥平面PAB. 又EM∩FM=M,EM⊂平面FEM,FM⊂平面FEM, 所以平面FEM∥平面PAB, 又EF⊂平面FEM, 所以直线EF∥平面PAB. (2)解 连接PE,PM, 因为平面PAD⊥平面ABCD, 平面PAD∩平面ABCD=AD,且PE⊥AD,PE⊂平面PAD, 所以PE⊥平面ABCD,PE⊥BC. 又因为EM⊥BC,PE∩EM=E, 所以BC⊥平面PEM, 所以平面PBC⊥平面PEM. 过点E作EH⊥PM于点H,连接FH, 由平面PBC⊥平面PEM可知,EH⊥平面PBC. 所以直线EF与平面PBC所成的角为∠EFH. 易求得EF=PC=,EH=, 所以sin∠EFH===. 4.如图,在边长为2的正方形ABCD中,E为AB的中点,将△ADE沿直线DE折起至△A′DE的位置,使得平面A′DE⊥平面BCDE,F为线段A′C的中点. (1)求证:BF∥平面A′DE; (2)求直线A′B与平面A′DE所成角的正切值. (1)证明 取A′D的中点M,连接FM,EM, ∵F为A′C的中点, ∴FM∥CD且FM=CD, 又E为AB的中点,且AB∥CD,且AB=CD, ∴BE∥CD且BE=CD, ∴BE∥FM且BE=FM, ∴四边形BFME为平行四边形. ∴BF∥EM, 又EM⊂平面A′DE,BF⊄平面A′DE, ∴BF∥平面A′DE. (2)解 在平面BCDE内作BN⊥DE,交DE的延长线于点N, ∵平面A′DE⊥平面BCDE,平面A′DE∩平面BCDE=DE,BN⊂平面BCDE, ∴BN⊥平面A′DE,连接A′N, 则∠BA′N为A′B与平面A′DE所成的角. 易知△BNE∽△DAE, ∴==,又BE=1, ∴BN=,EN=. 在△A′DE中,作A′P⊥DE,垂足为P, ∵A′E=1,A′D=2, ∴A′P=,∴EP=. 在Rt△A′PN中,PN=PE+EN=,A′P=, ∴A′N=. ∴在Rt△A′BN中,tan∠BA′N==, ∴直线A′B与平面A′DE所成角的正切值为.查看更多