2009年高三二轮专题复习―立体几何部分

一、空间位置关系与证明

1.(浙江)若是两条异面直线外的任意一点,则(B    )

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A.过点有且仅有一条直线与都平行

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B.过点有且仅有一条直线与都垂直

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C.过点有且仅有一条直线与都相交

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D.过点有且仅有一条直线与都异面

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2.(06湖南)如图,过平行六面体ABCD-A1B1C1D1任意两条棱的中

点作直线,其中与平面DBB1D1平行的直线共有( D )

A.4条     B.6条      C.8条      D.12条

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3.(湖北)平面外有两条直线和,如果和在平面内的射影分别是和,给出下列四个命题:

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①;     

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②;

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③与相交与相交或重合;

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④与平行与平行或重合.

其中不正确的命题个数是( D )

A.1       B.2       C.3       D.4

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4.(湖北)关于直线、与平面、,有下列四个命题:(D  )

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①且,则;    ②且,则;

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③且,则;   ④且,则.

其中真命题的序号是:

  A. ①、②            B. ③、④             C. ①、④             D. ②、③

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5.在正方形中,过对角线的一个平面交于E,交于F,则(     )

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①       四边形一定是平行四边形

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②       四边形有可能是正方形

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③       四边形在底面ABCD内的投影一定是正方形

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④       四边形有可能垂直于平面

以上结论正确的为  ①③④   。(写出所有正确结论的编号)

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6.(上海)在平面上,两条直线的位置关系有相交、平行、重合三种. 已知是两个相交平面,空间两条直线在上的射影是直线,在上的射影是直线.用与,与的位置关系,写出一个总能确定与是异

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面直线的充分条件:  ,并且与相交(,并且与相交)     

 

★ ★★高考要考什么

线与面的位置关系:平行、相交、线在面内;

面与面的位置关系:平行、相交;

   二.转化思想:

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一.线与线的位置关系:平行、相交、异面;

  ;

 

★★★高考将考什么

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【范例1】如图,在四棱锥中,底面,,,是的中点.

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(Ⅰ)证明;

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(Ⅱ)证明平面;

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(Ⅲ)求二面角的大小.

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(Ⅰ)证明:在四棱锥中,

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因底面,平面,故.

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,平面.

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而平面,.

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(Ⅱ)证明:由,,可得.

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是的中点,.

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由(Ⅰ)知,,且,所以平面.

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而平面,.

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底面在底面内的射影是,,.

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又,综上得平面.

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(Ⅲ)解法一:过点作,垂足为,连结.则(Ⅱ)知,平面,在平面内的射影是,则.

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因此是二面角的平面角.

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由已知,得.设,

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可得.

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在中,,,

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则.

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在中,.

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解法二:由题设底面,平面,则平面平面,交线为.

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过点作,垂足为,故平面.过点作,垂足为,连结,故.因此是二面角的平面角.

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由已知,可得,设,

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可得.

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,.

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于是,.

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在中,.

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所以二面角的大小是.

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所以二面角的大小是.

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变式:如图,在五面体中,点是矩形的对角线的交点,面是等边三角形,棱.

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(1)证明//平面;

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(2)设,证明平面.

 

证明:(Ⅰ)取CD中点M,连结OM.

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在矩形ABCD中,,又,则,

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连结EM,于是四边形EFOM为平行四边形.

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又平面CDE, EM平面CDE,   ∴ FO∥平面CDE

(Ⅱ)证明:连结FM,由(Ⅰ)和已知条件,在等边△CDE中,

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且.

因此平行四边形EFOM为菱形,从而EO⊥FM而FM∩CD=M,

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∴CD⊥平面EOM,从而CD⊥EO. 而,所以EO⊥平面CDF.

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【点晴】本小题考查直线与平面平行、直线与平面垂直等基础知识,注意线面平行和线面垂直判定定理的使用,考查空间想象能力和推理论证能力。

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【范例2】如图,在六面体中,四边形是边长为2的正方形,四边形是边长为1的正方形,平面

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,平面,.

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(Ⅰ)求证:与共面,与共面.

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(Ⅱ)求证:平面平面;

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(Ⅲ)求二面角的大小(用反三角函数值表示).

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证明:以为原点,以所在直线分别为轴,

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轴,轴建立空间直角坐标系如图,

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则有.

(Ⅰ)证明:

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.

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.

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与平行,与平行,

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于是与共面,与共面.

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(Ⅱ)证明:,

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,

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,.

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与是平面内的两条相交直线.

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平面.

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又平面过.

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平面平面.

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(Ⅲ)解:.

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设为平面的法向量,

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,.

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于是,取,则,.

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设为平面的法向量,

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,.

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于是,取,则,.

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.

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二面角的大小为.

解法2(综合法):

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(Ⅰ)证明:平面,平面.

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,,平面平面.

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于是,.

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设分别为的中点,连结,

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有.

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,

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于是.

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由,得,

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故,与共面.

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过点作平面于点,

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则,连结,

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于是,,.

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,.

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,.

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所以点在上,故与共面.

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(Ⅱ)证明:平面,,

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又(正方形的对角线互相垂直),

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与是平面内的两条相交直线,

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平面.

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又平面过,平面平面.

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(Ⅲ)解:直线是直线在平面上的射影,,

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根据三垂线定理,有.

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过点在平面内作于,连结,

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则平面,

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于是,

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所以,是二面角的一个平面角.

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根据勾股定理,有.

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,有,,,.

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,,

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二面角的大小为.

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变式如图,已知是棱长为的正方体,

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点在上,点在上,且.

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(1)求证:四点共面;(4分)

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(2)若点在上,,点在上,

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,垂足为,求证:平面;(4分)

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(3)用表示截面和侧面所成的锐二面角的大小,求.

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证明:(1)建立如图所示的坐标系,则,,,

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所以,故,,共面.

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又它们有公共点,所以四点共面.

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(2)如图,设,则,

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而,由题设得,

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得.

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因为,,有,又,,所以,,从而,.

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故平面.

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(3)设向量截面,于是,.

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而,,得,,解得,,所以.

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又平面,所以和的夹角等于或(为锐角).

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于是.

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故.

【范例3】如图,在长方体AC1中,AD=AA1=1,AB=2,点E在棱AB上移动.

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(1)证明:D1E⊥A1D;

(2)当E为AB的中点时,求点E到面ACD1的距离;

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(3)AE等于何值时,二面角D1―EC―D的大小为.

解析:法1

(1)∵AE⊥面AA1DD1,A1D⊥AD1,∴A1D⊥D1E

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(2)设点E到面ACD1的距离为h,在△ACD1中,AC=CD1=,AD1=,

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故

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(3)过D作DH⊥CE于H,连D1H、DE,则D1H⊥CE,

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     ∴∠DHD1为二面角D1―EC―D的平面角.

设AE=x,则BE=2-x

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法2:以D为坐标原点,直线DA、DC、DD1分别为x、y、z轴,建立空间直角坐标系,设AE=x,则A1(1,0,1),D1(0,0,1),E(1,x,0),A(1,0,0), C(0,2,0).

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(1)

(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),

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从而,,

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设平面ACD1的法向量为,

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则也即,得,

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从而,所以点E到平面AD1C的距离为

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(3)设平面D1EC的法向量,

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∴

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由  令b=1,  ∴c=2, a=2-x,

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∴依题意

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∴(不合,舍去), .

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∴AE=时,二面角D1―EC―D的大小为.

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变式:如图,四棱锥P―ABCD中,底面ABCD 为矩形,AB=8,AD=4,侧面PAD为等边三角形,并且与底面所成二面角为60°.

(Ⅰ)求四棱锥P―ABCD的体积;

(Ⅱ)证明PA⊥BD.

 解析:(Ⅰ)如图,取AD的中点E,

连结PE,则PE⊥AD.

作PO⊥平面在ABCD,垂足为O,连结OE.

根据三垂线定理的逆定理得OE⊥AD,

所以∠PEO为侧面PAD与底面所成的二面角

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的平面角,由已知条件可知∠PEO=60°,PE=6,所以PO=3,

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四棱锥P―ABCD的体积VP―ABCD=

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(Ⅱ)法1  如图,以O为原点建立空间直角坐标系.通过计算可得P(0,0,3),

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A(2,-3,0),B(2,5,0),D(-2,-3,0)

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所以

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因为 所以PA⊥BD.

法2:连结AO,延长AO交BD于点F.通过计算

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可得EO=3,AE=2,又知AD=4,AB=8,

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得所以Rt△AEO∽Rt△BAD.得∠EAO=∠ABD.  

所以∠EAO+∠ADF=90°   所以  AF⊥BD.

因为  直线AF为直线PA在平面ABCD 内的身影,所以PA⊥BD.

【点晴】本小题主要考查棱锥的体积、二面角、异面直线所成的角等知识和空间想象能力、分析问题能力,解题的关键是二面角的使用。使用空间向量能降低对空间想象能力的要求,但坐标系的位置不规则,注意点坐标的表示。

二、空间角与距离

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★★★高考在考什么

【考题回放】

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1.如图,直线a、b相交与点O且a、b成600,过点O 与a、b都成600角的直线有(  C  )

A.1 条      B.2条      C.3条     D.4条

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2.(江苏•理)正三棱锥P-ABC高为2,侧棱与底面所成角为,则点 到侧面的距离是­­­­­(  B  )

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A.        B.       C.6      D.

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3.(全国Ⅰ•理)如图,正四棱柱中,,则异面直线所成角的余弦值为( D )

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A.      B.    C.      D.

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4.已知正四棱锥的体积为12,底面对角线的长为,则侧面与底面所成的二面角等于.

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5.(四川•理)如图,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,侧棱长为,底面三角形的边长为1,则BC1与侧面ACC1A1所成的角是    .

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6.在棱长为的正方体ABCD―A1B1C1D1, E、F分别为BC与A1D1的中点,

(1) 求直线A1C与DE所成的角;

(2) 求直线AD与平面B1EDF所成的角;

(3) 求面B1EDF 与 面ABCD所成的角。

【专家解答】

(1)如图,在平面ABCD内,过C作CP//DE交直

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线AD于P,则(或补角)为异面直线A1C与

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DE所成的角。在Δ中,易得

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,由余弦定理得。

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故异面直线A1C与DE所成的角为。

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(2),

∴AD在面B1EDF内的射影在∠EDF的平分线上。而B1EDF是菱形,∴DB1为∠EDF的平分线。故直线

AD与面B1EDF所成的角为∠ADB1.在RtΔB1AD中,

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则。

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故直线AD与平面B1EDF所成的角为。

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(3)连结EF、B1D,交于点O,显然O为B1D的中点,从而O为正方体ABCD―A1B1C1D1的中心,作OH⊥平面ABCD,则H为正方形ABCD的中心。再作HM⊥DE,垂足为M ,连结OM,则OM⊥DE(三垂线定理),故∠OMH为二面角B1-DE-A的平面角。

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在RtΔDOE中,

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则由面积关系得。

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在RtΔOHM中。

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故面B1EDF 与 面ABCD所成的角为

★★★高考考什么

【考点透视】

异面直线所成角,直线与平面所成角,求二面角每年必考,作为解答题可能性最大.

【热点透析】

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1.转化思想:

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①

② 将异面直线所成的角,直线与平面所成的角转化为平面角,然后解三角形

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2.求角的三个步骤:一猜,二证,三算.猜是关键,在作线面角时,利用空间图形的平行,垂直,对称关系,猜斜线上一点或斜线本身的射影一定落在平面的某个地方,然后再证

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3.二面角的平面角的主要作法:①定义   ②三垂线定义   ③ 垂面法

距离

【考点透视】

判断线线、线面、面面的平行与垂直,求点到平面的距离及多面体的体积。

【热点透析】

转化思想:

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 ①  ;

② 异面直线间的距离转化为平行线面之间的距离,

平行线面、平行面面之间的距离转化为点与面的距离。

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2.空间距离则主要是求点到面的距离主要方法:

①体积法;    ②直接法,找出点在平面内的射影

 

★★★高考将考什么

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【范例1】如图,在中,,斜边.可以通过以直线为轴旋转得到,且二面角是直二面角.动点的斜边上.

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(I)求证:平面平面;

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(II)当为的中点时,求异面直线与所成角的大小;

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(III)求与平面所成角的最大值.

解法一:

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(I)由题意,,,

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是二面角是直二面角,

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又二面角是直二面角,

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,又,

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平面,

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又平面.

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平面平面.

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(II)作,垂足为,连结(如图),则,

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是异面直线与所成的角.

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在中,,,

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.

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又. 在中,.

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异面直线与所成角的大小为.

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(III)由(I)知,平面,

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是与平面所成的角,且.

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当最小时,最大,

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这时,,垂足为,,,

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与平面所成角的最大值为.

解法二:

(I)同解法一.

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(II)建立空间直角坐标系,如图,则,,,,

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,,

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.

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异面直线与所成角的大小为.

(III)同解法一

【点晴】本题源于课本,高于课本,不难不繁,体现了通过平移求线线、通过射影求线面角的基本方法。

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【变式】如右下图,在长方体ABCD―A1B1C1D1中,已知AB= 4, AD =3, AA1= 2.

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E、F分别是线段AB、BC上的点,且EB= FB=1.

(1) 求二面角C―DE―C1的正切值; (2) 求直线EC1与FD1所成的余弦值.

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解:(I)以A为原点,分别为x轴,y轴,z轴的正向建立空间直角坐标系,则有D(0,3,0)、D1(0,3,2)、E(3,0,0)、F(4,1,0)、C1(4,3,2),故

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设向量与平面C1DE垂直,则有

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(II)设EC1与FD1所成角为β,则

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【点晴】空间向量在解决含有三维直角的立体几何题中更能体现出它的优点,但必须注意其程序化的过程及计算的公式,本题使用纯几何方法也不难,同学不妨一试。

【范例2】如图,正三棱柱ABC-A1B1C1的所有棱长都为2,D为CC1中点。

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(Ⅰ)求证:AB1⊥面A1BD;(Ⅱ)求二面角A-A1D-B的大小;

分析:本小题主要考查直线与平面的位置关系,二面角的大小,点到平面的距离等知识,考查空间想象能力、逻辑思维能力和运算能力.

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解答:解法一:(Ⅰ)取中点,连结.

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为正三角形,.

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正三棱柱中,平面平面,

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平面.

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连结,在正方形中,分别为

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的中点, , .

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在正方形中,, 平面.

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(Ⅱ)设与交于点,在平面中,作于,连结,由(Ⅰ)得平面.

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,

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为二面角的平面角.

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在中,由等面积法可求得,

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又, .

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所以二面角的大小为.

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(Ⅲ)中,,.

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在正三棱柱中,到平面的距离为.

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设点到平面的距离为.

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由得, .

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点到平面的距离为.

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解法二:(Ⅰ)取中点,连结.

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为正三角形,.

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在正三棱柱中,平面平面, 平面.

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取中点,以为原点,,,的方向为轴的正方向建立空间直角坐标系,则,,,,,

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,,.

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,, ,. 平面.

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(Ⅱ)设平面的法向量为.

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,.

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,,

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令得为平面的一个法向量.

试题详情

由(Ⅰ)知平面, 为平面的法向量.

试题详情

,.

试题详情

二面角的大小为.

【点晴】由线线、线面、面面的位置寻找满足某些条件的点的位置,它能考查学生分析问题、解决问题的能力,两种方法各有优缺点,在向量方法中注意动点的设法,在方法二中注意用分析法寻找思路。

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【变式】在梯形ABCD中,AB=BC=1,AD=2,,沿对角线AC将折起,使点B在平面ACD内的射影O恰在AC上。

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(1)求证:AB平面BCD(2)求异面直线BC与AD所成的角。

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解:(1)在梯形ABCD中,,AD=2,

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,

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又平面ACD,故

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又,且平面BCD

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(2)因为BA=BC,,

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为AC中点,取CD中点E,AB中点F,连结OE、OF、EF,则OE//AD,

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OF//BC,所以AD与BC所成的角为或其补角.

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作FH//BO交AC于H,连结HE, 则FH平面ACD

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在三角形EOF中,又,EO=1

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由余弦定理知

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故异面直线BC与AD所成的角为

【点晴】折叠问题必须注意折叠前后之间的关系和区别,本题使用空间向量的方法也不失一种好方法。

【范例3】在四棱锥P-ABCD中,ABCD为正方形,PA⊥面ABCD,PA=AB=a,E为BC中点.

(1)求平面PDE与平面PAB所成二面角的大小;(2)求平面PBA与平面PDC所成二面角的大小

解:(1)延长AB、DE交于点F,则PF为平面PDE与平面PAD所成二面角的棱,

∵PA⊥平面ABCD,   ∴AD⊥PA、AB, PA∩AB=A

∴DA⊥平面BPA于A,  过A作AO⊥PF于O,连结OD,

则∠AOD即为平面PDE与平面PAD所成二面角的平面角。

试题详情

得,故面PDE与面PAD所成二面角的大小为

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(2)解法1(面积法)如图∵AD⊥PA、AB, PA∩AB=A

∴DA⊥平面BPA于A, 同时BC⊥平面BPA于B,

∴△PBA是△PCD在平面PBA上的射影,

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设平面PBA与平面PDC所成二面角大小为θ, cosθ=S△PAB/S△PCD=/2 θ=450 ,即平面BAP与平面PDC所成的二面角的大小为45°。  

解法2(补形化为定义法)如图将四棱锥P-ABCD补形

得正方体ABCD-PQMN,则PQ⊥PA、PD,于是∠APD是两

面所成二面角的平面角。      在Rt△PAD中,PA=AD,

则∠APD=45°。即平面BAP与平面PDC所成二面角的大小为45°。 

【点晴】求线面角、面面角关键在于准确作出角,同样遵循一作二证三计算的步骤,但应用面积射影法求二面角可避免找角,同学们注意经常使用。

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【范例4】如图,四面体ABCD中, O、E分别是BD、BC的中点,  

试题详情

    (I)求证:平面BCD; (II)求异面直线AB与CD所成角的大小;

试题详情

    (III)求点E到平面ACD的距离。

    方法一:

    (I)证明:连结OC

试题详情

   

试题详情

   

试题详情

    在中,由已知可得

试题详情

    而 

试题详情

    即

试题详情

    平面

试题详情

    (II)解:取AC的中点M,连结OM、ME、OE,由E为BC的中点知

试题详情

    直线OE与EM所成的锐角就是异面直线AB与CD所成的角

试题详情

    在中,  

试题详情

    是直角斜边AC上的中线,  

试题详情

    异面直线AB与CD所成角的大小为

试题详情

    (III)解:设点E到平面ACD的距离为

试题详情

   

试题详情

    在中,

试题详情

    而 

试题详情

    点E到平面ACD的距离为

    方法二:

    (I)同方法一。

试题详情

    (II)解:以O为原点,如图建立空间直角坐标系,则

试题详情

   

试题详情

   

试题详情

    异面直线AB与CD所成角的大小为

试题详情

    (III)解:设平面ACD的法向量为则

试题详情

     

试题详情

    令得是平面ACD的一个法向量。

试题详情

    又 点E到平面ACD的距离

试题详情

   

【点晴】本小题主要考查直线与平面的位置关系、异面直线所成的角以及点到平面的距离基本知识,考查空间想象能力、逻辑思维能力和运算能力。

 

【变式】已知正三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱长和底面边长均为1,M是底面BC边上的中点,N是侧棱CC1上的点,且CN=2C1N.

(Ⅰ)求二面角B1-AM-N的平面角的余弦值;(Ⅱ)求点B1到平面AMN的距离。

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解(Ⅰ)建立如图所示的空间直角坐标系,则(0,0,1),

试题详情

M(0,,0),C(0,1,0), N (0,1,) , A (),

试题详情

所以,,

试题详情

因为

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所以,同法可得。

试题详情

故??为二面角―AM―N的平面角

试题详情

∴??=

试题详情

故二面角―AM―N的平面角的余弦值为。

试题详情

(Ⅱ)设n=(x, y, z)为平面AMN的一个法向量,则由得

试题详情

, 故可取

试题详情

设与n的夹角为a,则。

试题详情

所以到平面AMN的距离为。

试题详情

【范例5】如图,所示的多面体是由底面为ABCD的长方体被截面AEC1F所截面而得到的,其中AB=4,BC=2,CC1=3,BE=1.

(Ⅰ)求BF的长;

(Ⅱ)求点C到平面AEC1F的距离.

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解法1:(Ⅰ)过E作EH//BC交CC1于H,则CH=BE=1,EH//AD,且EH=AD.

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∵AF∥EC1,∴∠FAD=∠C1EH. ∴Rt△ADF≌Rt△EHC1.

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∴DF=C1H=2.

(Ⅱ)延长C1E与CB交于G,连AG,

则平面AEC1F与平面ABCD相交于AG.

过C作CM⊥AG,垂足为M,连C1M,

由三垂线定理可知AG⊥C1M.由于AG⊥面C1MC,

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且AG面AEC­1F,所以平面AEC1F⊥面C1MC.

在Rt△C1CM中,作CQ⊥MC1,垂足为Q,则CQ的长即为C到面AEC1F的距离.

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解法2:(I)建立如图所示的空间直角坐标系,则D(0,0,0),B(2,4,0),

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A(2,0,0),C(0,4,0),E(2,4,1),C1(0,4,3).设F(0,0,z).

∵AEC1F为平行四边形,

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(II)设为面AEC1F的法向量,

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的夹角为a,则

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∴C到平面AEC1F的距离为

【点晴】本小题主要考查线面关系和空间距离的求法等基础知识,空间距离也遵循一作二证三计算的步骤,但体积法是一种很好的求空间距离的方法,同学们不妨一试。

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【文】正三棱柱的底面边长为8,对角线,D是AC的中点。

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(1)求点到直线AC的距离.

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(2)求直线到平面的距离.

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解:(1)连结BD,,由三垂线定理可得:,

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所以就是点到直线AC的距离。

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在中.

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.

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(2)因为AC与平面BD交于AC的中点D,

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设,则//DE,所以//平面,

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所以到平面BD的距离等于A点到平面BD

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的距离,等于C点到平面BD的距离,也就等于三棱

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锥的高,    ,

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,,即直线到平面BD的距离是.

【点晴】求空间距离注意三点:

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1.常规遵循一作二证三计算的步骤;

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2.多用转化的思想求线面和面面距离;

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3.体积法是一种很好的求空间距离的方法.

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【范例6】如图,在四棱锥P―ABC右,底面ABCD为矩形,侧棱PA⊥底面ABCD,AB=,BC=1,PA=2, E为PD的中点

(Ⅰ)求直线AC与PB所成角的余弦值;(Ⅱ)在侧面PAB内找一点N,使NE⊥面PAC,并求出N点到AB和AP的距离

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解法一:(Ⅰ)建立如图所示的空间直角坐标系,则A、B、C、D、P、E的坐标分别为A(0,0,0),B(,0,0),C(,1,0),D(0,1,0),P(0,0,2),E(0,,2).从而=(,1,0),=(,0,-2).

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设与的夹角为,则,

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∴AC与PB所成角的余弦值为

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(Ⅱ) N点在侧面PAB内,故可设N点坐标为(x, 0, z),则

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由NE⊥面PAC可得即

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化简得

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即N点的坐标为(,0,1),从而N点到AB、AP的距离分别为1,

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解法二:(Ⅰ)设AC∩BD=O,连OE,则OE//PB,∴∠EOA即为AC与PB所成的角或其补角, 在ΔAOE中,AO=1,OE=PB=,AE=PD=,

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∴, 即AC与PB所成角的余弦值为

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(Ⅱ)在面ABCD内过D作AC的垂线交AB于F,则.

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连PF,则在RtΔADF中DF=.

设N为PF的中点,连NE,则NE//DF,

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∵DF⊥AC,DF⊥PA,∴DF⊥面PAC从而NE⊥面PAC

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∴N点到AB的距离=AP=1,N点到AP的距离=AF=

【点晴】由线线、线面、面面的位置寻找满足某些条件的点的位置,它能考查学生分析问题、解决问题的能力,两种方法各有优缺点,在向量方法中注意动点的设法,在方法二中注意用分析法寻找思路。

 

 

 

 

 

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