资源简介 综合拔高练五年高考练 考点1 用向量法解决立体几何中的证明、求值问题1.(2023全国乙理,19)如图,在三棱锥P-ABC中,AB⊥BC,AB=2,BC=2,BP,AP,BC的中点分别为D,E,O,AD=DO,点F在AC上,BF⊥AO.(1)证明:EF∥平面ADO;(2)证明:平面ADO⊥平面BEF;(3)求二面角D-AO-C的正弦值.考点2 用坐标法解决立体几何中的证明、求值问题2.(2023北京,16)如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,PA=AB=BC=1,PC=.(1)求证:BC⊥平面PAB;(2)求二面角A-PC-B的大小.3.(2023新课标Ⅰ,18)如图,在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,AA1=4.点A2,B2,C2,D2分别在棱AA1,BB1,CC1,DD1上,AA2=1,BB2=DD2=2,CC2=3.(1)证明:B2C2∥A2D2;(2)点P在棱BB1上,当二面角P-A2C2-D2为150°时,求B2P.4.(2023新课标Ⅱ,20)如图,三棱锥A-BCD中,DA=DB=DC,BD⊥CD,∠ADB=∠ADC=60°,E为BC的中点.(1)证明:BC⊥DA;(2)点F满足,求二面角D-AB-F的正弦值.5.(2023全国甲理,18)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,A1C⊥平面ABC,∠ACB=90°,AA1=2,A1到平面BCC1B1的距离为1.(1)证明:A1C=AC;(2)已知AA1与BB1的距离为2,求AB1与平面BCC1B1所成角的正弦值.6.(2023天津,17)三棱台ABC-A1B1C1中,已知A1A⊥平面ABC,AB⊥AC,AB=AC=AA1=2,A1C1=1,N为线段AB的中点,M为线段BC的中点.(1)求证:A1N∥平面C1MA;(2)求平面C1MA与平面ACC1A1所成角的余弦值;(3)求点C到平面C1MA的距离.考点3 用空间向量解决立体几何中的最值问题7.(2021全国甲理,19)已知直三棱柱ABC-A1B1C1中,侧面AA1B1B为正方形,AB=BC=2,E,F分别为AC和CC1的中点,D为棱A1B1上的点,BF⊥A1B1.(1)证明:BF⊥DE;(2)当B1D为何值时,面BB1C1C与面DFE所成的二面角的正弦值最小 8.(2020全国新高考Ⅰ,20)如图,四棱锥P-ABCD的底面为正方形,PD⊥底面ABCD.设平面PAD与平面PBC的交线为l.(1)证明:l⊥平面PDC;(2)已知PD=AD=1,Q为l上的点,求PB与平面QCD所成角的正弦值的最大值.三年模拟练 应用实践1.(2024山东适应性联考)在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面A1B1C1D1为矩形,AB=1,BC=3,且,若点B到平面AB1D1的距离为,则点C到直线AM的距离为( )A. B.C. D.2.(2024浙江杭州期中)已知直三棱柱ABC-A'B'C'的底面是正三角形,侧棱长与底面边长相等,P是侧棱AA'上的点(不含端点).记直线PB与直线AC的夹角为α,直线PB与直线B'C的夹角为β,二面角P-B'B-C的平面角为γ,则( )A.α>β>γ B.α<β<γC.α>γ>β D.β>α>γ3.(多选题)(2022湖北襄阳重点高中月考)已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,M是AA1的中点,过点B的平面α满足CM⊥平面α,则下列说法正确的有( )A.若P是线段CC1上的动点,则直线AP与平面α夹角的正弦值的取值范围是B.点C到平面α的距离为C.平面α截正方体所得截面的面积等于D.平面α截正方体所得截面的形状是平行四边形4.(2024安徽“皖中联考”期中)如图,三棱柱ABC-A1B1C1的所有棱长均相等,∠ACC1=2∠A1AB=120°,E,F分别为B1C1,A1C1的中点,则异面直线BE与CF夹角的余弦值为 . 5.(2023湖南永州第一中学入学考试)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为菱形,E,F分别为PA,BC的中点.(1)证明:EF∥平面PCD;(2)若PD⊥平面ABCD,∠ADC=120°,且PD=2,AD=4,求直线AF与平面DEF夹角的正弦值.6.(2024北京丰台期中)如图,在多面体ABCDEF中,四边形ABCD是边长为3的正方形,平面CDE⊥平面ABCD,AF∥DE,DE⊥CD,DE=3AF=3.(1)求证:AC⊥平面BDE;(2)求平面BEF与平面BDE夹角的余弦值;(3)在线段CE上是否存在点P,使得AP∥平面BEF 若存在,指出点P的位置并证明;若不存在,请说明理由.7.(2023浙江名校协作体适应性联合考试)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是等腰梯形,CD=2AB=2BC=2AD=4,平面ADP⊥平面ABCD,E是PC的中点,且△ADP为等边三角形,平面ADP∩平面PBC=m.(1)设m∩直线BC=M,求点M到平面PDC的距离;(2)求二面角P-BE-D的平面角的正弦值.8.(2023北京清华附中朝阳学校期中)在梯形ABCD中,AB∥CD,∠BAD=,AB=2AD=2CD=4,P为AB的中点,线段AC与DP交于点O(如图1).将△ACD沿AC折起到△ACD'的位置,使得平面D'AC⊥平面BAC(如图2).(1)求证:BC∥平面POD';(2)求二面角A-BC-D'的大小;(3)在线段PD'上是否存在点Q,使得CQ与平面BCD'夹角的正弦值为 若存在,求出的值;若不存在,请说明理由. 答案与分层梯度式解析综合拔高练五年高考练1.解析 (1)证明:由题可知,|,设,∵|cos∠BAC=2×2=4,BF⊥AO,∴)·=8λ-4=0,解得λ=,∴F为AC的中点.连接OF,DE,则OF∥AB,OF=AB,∵DE∥AB,DE=AB,∴DE∥OF,DE=OF,∴四边形ODEF为平行四边形,∴EF∥OD,∵OD 平面ADO,EF 平面ADO,∴EF∥平面ADO.(2)证明:∵O为BC的中点,∴OB=,又AB=2,AB⊥BC,∴AO==PC=2OD,又AD=OD,∴AD2=AO2+OD2,即AO⊥OD,∵EF∥OD,∴AO⊥EF,∵BF⊥AO,BF∩EF=F,∴AO⊥平面BEF,∵AO 平面ADO,∴平面ADO⊥平面BEF.(3)设二面角D-AO-C的平面角为θ,由题图可知θ为锐角,∵AO⊥OD,AO⊥BF,∴θ为的夹角.由题意得|,=0,在△OBD中,BD=OD=,则cos∠BOD=,∴|cos∠BOD==1.∴cos θ=,∴sin θ=,∴二面角D-AO-C的正弦值为.思路分析 (1)先利用向量法可得F为AC的中点,进而可得四边形ODEF为平行四边形,然后根据线面平行的判定定理即可证明;(2)由勾股定理的逆定理可得AO⊥OD,进而得AO⊥EF,根据面面垂直的判定定理即可证明;(3)设二面角D-AO-C的平面角为θ,可知θ为的夹角,利用向量的夹角公式求解即可.2.解析 (1)证明:∵PA⊥平面ABC,AC 平面ABC,BC 平面ABC,∴PA⊥AC,PA⊥BC,∵PA=1,PC=,∴AC=,又∵AB=BC=1,∴AC2=AB2+BC2,∴BC⊥AB,又∵PA∩AB=A,∴BC⊥平面PAB.(2)以B为坐标原点,的方向分别为x轴,y轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,则A(0,1,0),B(0,0,0),C(1,0,0),P(0,1,1),∴=(1,0,0),设平面APC的一个法向量为n=(x,y,z),则取x=1,得n=(1,1,0),设平面BPC的一个法向量为m=(a,b,c),则取b=1,得m=(0,1,-1),∴cos=,由图可知二面角A-PC-B为锐角,设二面角A-PC-B的大小为θ,则cos θ=|cos|=,∴θ=,即二面角A-PC-B的大小为.3.解析 (1)证法一:在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,以C为原点,的方向分别为x轴,y轴,z轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,连接A2B2,∵AA2=1,BB2=DD2=2,CC2=3,AB=2,AA1=4,∴A2(2,2,1),B2(0,2,2),C2(0,0,3),D2(2,0,2),∴=(0,-2,1),∴.易知点A2,B2,C2,D2不在同一条直线上,∴B2C2∥A2D2.证法二:如图,分别取DD2,CC1的中点N,M,连接B2M,MN,A2N,A2B2,在正四棱柱中,BB2=2,BB1=AA1=4,则B2为BB1的中点.易知AA2=1,DN=1,几何体ABB2A2-DCMN为四棱柱.∴四边形A2B2MN为平行四边形,∴MN A2B2.∵D2N=1,MC2=1,且D2N∥C2M,∴四边形MND2C2为平行四边形,∴D2C2 MN,∴A2B2 D2C2,∴四边形A2B2C2D2为平行四边形,∴B2C2∥A2D2.(2)同(1)中证法一建系,设BP=t(0≤t≤4),则P(0,2,t),∵A2(2,2,1),C2(0,0,3),D2(2,0,2),∴=(-2,0,1),设平面PA2C2的一个法向量为u1=(x1,y1,z1),则令z1=1,则∴u1=.设平面A2C2D2的一个法向量为u2=(x2,y2,z2),则令z2=2,则x2=1,y2=1,∴u2=(1,1,2).设二面角P-A2C2-D2的平面角为θ,则θ=150°.∴cos θ===cos 150°,解得t=1或t=3.当t=1时,BP=1,∴B2P=BB2-BP=1;当t=3时,BP=3,∴B2P=BP-BB2=1.综上所述,B2P=1.4.解析 (1)证明:连接AE,DE,∵DB=DC,E为BC的中点,∴DE⊥BC.∵DB=DC,∠ADB=∠ADC=60°,DA=DA,∴△ADB≌△ADC,∴AB=AC,∴AE⊥BC,又AE∩DE=E,AE,DE 平面ADE,∴BC⊥平面ADE,又DA 平面ADE,∴BC⊥DA.(2)不妨设DA=DB=DC=2,结合已知条件可得AB=AC=2,BC=2,∴AE2+DE2=AD2,∴AE⊥DE.又AE⊥BC,DE∩BC=E,BC,DE 平面BCD,∴AE⊥平面BCD.如图,以E为坐标原点,直线ED,EB,EA分别为x轴,y轴,z轴建立空间直角坐标系,则E(0,0,0),A(0,0,),由,得F(-),则).设平面DAB的一个法向量为n=(x,y,z),则令x=1,得n=(1,1,1),设平面ABF的一个法向量为m=(x',y',z'),则令y'=1,得m=(0,1,1).设二面角D-AB-F的平面角为θ,则|cos θ|=,又θ∈[0,π],∴sin θ=,故二面角D-AB-F的正弦值为.5.解析 (1)证明:∵A1C⊥平面ABC,BC 平面ABC,∴A1C⊥BC,∵∠ACB=90°,∴AC⊥BC,又AC∩A1C=C,AC,A1C 平面AA1C1C,∴BC⊥平面AA1C1C.又∵BC 平面BCC1B1,∴平面BCC1B1⊥平面AA1C1C.过A1作A1H⊥CC1,垂足为H,又平面BCC1B1⊥平面AA1C1C,平面BCC1B1∩平面AA1C1C=CC1,A1H 平面AA1C1C,∴A1H⊥平面BCC1B1,∴A1H=1,易知∠CA1C1=90°,在Rt△A1CC1中,CC1=2=2A1H,∴H为CC1的中点,∴△A1CC1为等腰直角三角形,∴A1C=A1C1.易知AC A1C1,∴A1C=AC.(2)以C为坐标原点,CA,CB,CA1所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立空间直角坐标系,在平面BCC1B1内过H作HQ∥BC,交BB1于点Q,连接A1Q,如图.易知CC1⊥A1H,CC1⊥HQ,CC1 BB1,又A1H∩HQ=H,A1H,HQ 平面A1HQ,∴CC1⊥平面A1HQ,BB1⊥平面A1HQ,又A1Q 平面A1HQ,∴BB1⊥A1Q,∴A1Q=2,∴在Rt△A1HQ中,HQ=,易知A1C=AC=,则A().设平面BCC1B1的一个法向量为n=(x,y,z),则取x=1,得n=(1,0,1).设直线AB1与平面BCC1B1所成的角为θ,则sin θ=|cos<,n>|==.∴AB1与平面BCC1B1所成角的正弦值为.6.解析 (1)证明:连接MN,A1N,C1M,AM,AC1.因为M,N分别为线段BC,AB的中点,所以MN是△ABC的中位线,所以MN∥AC,MN=AC,又因为A1C1∥AC,A1C1=AC,所以MN∥A1C1,MN=A1C1,所以四边形MC1A1N是平行四边形,所以MC1∥A1N,又因为MC1 平面C1MA,A1N 平面C1MA,所以A1N∥平面C1MA.(2)因为A1A⊥平面ABC,AB,AC 平面ABC,所以A1A⊥AB,A1A⊥AC,又AB⊥AC,所以AB,AC,AA1两两垂直.以A为原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则A(0,0,0),C1(0,1,2),M(1,1,0),C(0,2,0),B(2,0,0),所以=(0,1,2),设平面C1MA的一个法向量为n=(x,y,z),则令x=2,则y=-2,z=1,所以n=(2,-2,1),由题易知平面ACC1A1的一个法向量为=(2,0,0),设平面C1MA与平面ACC1A1所成的角为θ,则cos θ=|cos所以平面C1MA与平面ACC1A1所成角的余弦值为.(3)由(2)知平面C1MA的一个法向量为n=(2,-2,1),=(0,2,0),设点C到平面C1MA的距离为h,则h=,所以点C到平面C1MA的距离为.7.解析 (1)证明:∵BF⊥A1B1,B1B⊥A1B1,BF∩B1B=B,∴A1B1⊥平面B1C1CB.∵AB∥A1B1,∴AB⊥平面B1C1CB.又∵BC 平面B1C1CB,∴AB⊥BC.以B为坐标原点,的方向分别为x轴,y轴,z轴的正方向,建立空间直角坐标系(图略),则B(0,0,0),F(0,2,1),E(1,1,0),∴=(0,2,1).设B1D=a(0≤a≤2),则D(a,0,2),则=(1-a,1,-2).∵=(0,2,1)·(1-a,1,-2)=0×(1-a)+2×1+1×(-2)=0,∴BF⊥DE.(2)由(1)知=(a,-2,1).设平面DFE的一个法向量为n=(x,y,z),则不妨设x=1,则y=,∴n=.易知m=(1,0,0)是平面BB1C1C的一个法向量.设平面BB1C1C与平面DFE所成的锐二面角的大小为θ,则cos θ=|cos|=,∴sin θ=,故当a=,即B1D=时,平面BB1C1C与平面DFE所成的二面角的正弦值最小,最小值为.8.解析 (1)证明:因为PD⊥底面ABCD,所以PD⊥AD.因为底面ABCD为正方形,所以AD⊥DC.又DC∩PD=D,DC,PD 平面PDC,所以AD⊥平面PDC.因为AD∥BC,AD 平面PBC,所以AD∥平面PBC.由已知得l∥AD,因此l⊥平面PDC.(2)以D为坐标原点,的方向分别为x轴,y轴,z轴的正方向,建立空间直角坐标系D-xyz(图略),则D(0,0,0),C(0,1,0),B(1,1,0),P(0,0,1),所以=(1,1,-1).由(1)可设Q(a,0,1),则=(a,0,1).设n=(x,y,z)是平面QCD的一个法向量,则取x=-1,则y=0,z=a,所以n=(-1,0,a).所以cos设PB与平面QCD所成的角为θ,则sin θ=.因为,当且仅当a=1时等号成立,所以PB与平面QCD所成角的正弦值的最大值为.三年模拟练1.D 以D为坐标原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,如图所示:则A(3,0,0),B(3,1,0),C(0,1,0),设DD1=a,则D1(0,0,a),B1(3,1,a),M(1,1,a),所以=(0,1,a),设平面AB1D1的一个法向量为n=(x,y,z),则令z=3,则x=a,y=-3a,所以n=(a,-3a,3),因为点B到平面AB1D1的距离为,所以,所以a=,所以M,所以,所以向量,所以点C到直线AM的距离d=.故选D.2.D 设直三棱柱ABC-A'B'C'的棱长为2,如图,取BC的中点O,以OA,OB所在直线分别为x轴、y轴建立如图所示的空间直角坐标系,则A(,0,0),B(0,1,0),C(0,-1,0),B'(0,1,2),设P(,0,t)(0则=(0,-2,-2),∴cos α=|cos<,cos β=|cos<.∵t∈(0,2),∴,∴cos β由题意得B'B⊥BC,B'B⊥BA,则二面角P-B'B-C的平面角为∠ABC,则γ=∠ABC=60°,∴cos βα>γ,故选D.3.ABC 以D为原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系,则A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,2,0),M(2,0,1),易得平面α的一个法向量为=(2,-2,1),设P(0,2,z),0≤z≤2,直线AP与平面α的夹角为θ,则=(2,-2,-z),所以sin θ=|cos<.设8-z=t,则sin θ=,t∈[6,8],所以当t=6,即z=2时,sin θ有最小值,为,当t=8,即z=0时,sin θ有最大值,为,故A正确;=(-2,0,0),所以点C到平面α的距离d=,故B正确;设E,F分别为B1C1,C1D1的中点,易证CM⊥平面BDFE,则面BDFE就是平面α截正方体所得的截面,易得四边形BDFE为等腰梯形,其面积为,故C正确,D错误.故选ABC.4.答案 解析 设三棱柱ABC-A1B1C1的所有棱长均为1,记=a,=b,=c,由∠ACC1=2∠A1AB=120°,得∠A1AC=∠A1AB=∠CAB=60°,则a·b=b·c=a·c=1×1×cos 60°=,又=c+(b-a),=c-b,所以=c2-a·c-b2+a·b=,又|=,|,所以cos<,故异面直线BE与CF夹角的余弦值为.5.解析 (1)证明:取PD的中点G,连接CG,EG,因为E为PA的中点,所以EG∥AD,EG=AD.因为底面ABCD为菱形,F为BC的中点,所以CF∥AD,CF=AD,所以EG∥CF,EG=CF,所以四边形EGCF为平行四边形,所以EF∥CG.又CG 平面PCD,EF 平面PCD,所以EF∥平面PCD.(2)因为PD⊥平面ABCD,DF,DA 平面ABCD,所以PD⊥DF,PD⊥DA,连接BD,因为四边形ABCD为菱形,∠ADC=120°,所以△BCD为等边三角形.因为F为BC的中点,所以DF⊥BC.因为BC∥DA,所以DF⊥DA,所以DF,DA,DP两两垂直.以D为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,则D(0,0,0),F(2,0,0),A(0,4,0),E(0,2,1),则,-4,0).设平面DEF的一个法向量为m=(x,y,z),则令y=1,得m=(0,1,-2).设直线AF与平面DEF的夹角为θ,则sin θ=|cos所以直线AF与平面DEF夹角的正弦值为.6.解析 (1)证明:因为平面CDE⊥平面ABCD,平面CDE∩平面ABCD=CD,DE⊥CD,DE 平面CDE,所以DE⊥平面ABCD,又AC 平面ABCD,所以DE⊥AC.因为四边形ABCD是正方形,所以AC⊥BD,因为BD∩DE=D,BD,DE 平面BDE,所以AC⊥平面BDE.(2)以B为坐标原点,DA,DC,DE所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则A(3,0,0),F(3,0,),B(3,3,0),C(0,3,0),所以),设平面BEF的一个法向量为n=(x,y,z),则取z=,得x=4,y=2,所以n=(4,2,),因为AC⊥平面BDE,所以平面BDE的一个法向量为=(3,-3,0),所以cos<,n>=,设平面BEF与平面BDE的夹角为θ,则cos θ=|cos<,n>|=,所以平面BEF与平面BDE夹角的余弦值为.(3)在线段CE上存在点P,当P为CE的中点时,AP∥平面BEF,证明如下:设(0≤λ≤1),由(2)知,=(-3,3,0),所以λ),所以λ),由(2)知平面BEF的一个法向量为n=(4,2,),因为AP∥平面BEF,所以·n=(-3)×4+(3-3λ)×2+3=0,解得λ=,故,所以在线段CE上存在点P,当P为CE的中点时,AP∥平面BEF.7.解析 (1)延长DA,CB,交于点F,连接PF,则直线PF即为m,则点F即为点M.取AD的中点O,CD的中点为Q,连接OQ,AQ,OP,易得△MCD,△AQD均为等边三角形,所以OQ⊥AD.因为平面ADP⊥平面ABCD,平面ADP∩平面ABCD=AD,OP⊥AD,OP 平面ADP,所以OP⊥平面ABCD,所以OP⊥OQ,OP⊥OA,以O为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,由题意得B(2,,则,0),设平面PDC的一个法向量为n1=(x1,y1,z1),由令x1=,则y1=-1,z1=-1,所以n1=(,-1,-1).所以点M到平面PDC的距离为.(2)由(1)得.设平面BDE的一个法向量为n2=(x2,y2,z2),由令x2=1,得y2=-,则n2=(1,-).设平面PBE的一个法向量为n3=(x3,y3,z3),由令x3=3,得y3=,则n3=(3,).设二面角P-BE-D的平面角为θ,则|cos θ|=|cos|=,因此sin θ=,所以二面角P-BE-D的平面角的正弦值是.8.解析 (1)证明:在梯形ABCD中,AB∥CD,∠BAD=,AB=2AD=2CD=4,P为AB的中点,可得△ADP为等边三角形,四边形DPBC为菱形,故BC∥OP,而在题图2中,OP 平面POD',BC 平面POD',∴BC∥平面POD'.(2)易知BC=2,∠ABC=,AB=4,故AC⊥BC,AC⊥OP,又平面D'AC⊥平面BAC,平面D'AC∩平面BAC=AC,OP 平面BAC,∴OP⊥平面D'AC,∴OA,OP,OD'两两垂直,建立如图所示的空间直角坐标系,则D'(0,0,1),C(-,2,0),∴=(0,2,0).设平面BCD'的一个法向量为n=(x,y,z),则取x=1,得n=(1,0,-),易知平面BAC的一个法向量为m=(0,0,1).设二面角A-BC-D'的大小为θ,易知二面角A-BC-D'为锐二面角,故cos θ=,∴二面角A-BC-D'的大小为.(3)存在.设=t,0≤t<1,则,∵P(0,1,0),D'(0,0,1),∴=(0,-1,1),由此可得Q(0,1-t,t),∴,1-t,t).又平面BCD'的一个法向量为n=(1,0,-),∴CQ与平面BCD'的夹角的正弦值为,化简,得3t2-7t+2=0,解得t=或t=2(舍去),故在线段PD'上存在点Q,使得CQ与平面BCD'夹角的正弦值为,此时. 展开更多...... 收起↑ 资源预览