8.已知四棱锥P-ABCD的底面为直角梯形,AB∥DC,底面ABCD,且PA=AD=DC=AB=1,M是PB的中点
(Ⅰ)证明:面PAD⊥面PCD;
(Ⅱ)求AC与PB所成的角;
(Ⅲ)求面AMC与面BMC所成二面角的大小
方法一:
(Ⅰ)证明:∵PA⊥面ABCD,CD⊥AD,
∴由三垂线定理得CD⊥PD.
因而,CD与面PAD内两条相交直线AD,PD都垂直,∴CD⊥面PAD.
又CD面PCD,∴面PAD⊥面PCD.
(Ⅱ)解:过点B作BE//CA,且BE=CA,
则∠PBE是AC与PB所成的角.
连结AE,可知AC=CB=BE=AE=,又AB=2,
所以四边形ACBE为正方形.
由PA⊥面ABCD得∠PEB=90°
在Rt△PEB中BE=,PB=,
(Ⅲ)解:作AN⊥CM,垂足为N,连结BN.
在Rt△PAB中,AM=MB,又AC=CB, ∴△AMC≌△BMC,
∴BN⊥CM,故∠ANB为所求二面角的平面角
∵CB⊥AC,由三垂线定理,得CB⊥PC,
在Rt△PCB中,CM=MB,所以CM=AM.
在等腰三角形AMC中,AN·MC=,
∴AB=2,,故即为所求.
方法二:因为PA⊥PD,PA⊥AB,AD⊥AB,以A为坐标原点AD长为单位长度,如图建立空间直角坐标系,则各点坐标为A(0,0,0)B(0,2,0),C(1,1,0),D(1,0,0),P(0,0,1),M(0,1,.
(Ⅰ)证因
又知AD⊥DC,且AP与与AD是面PAD内的两条相交直线,由此得DC⊥面PAD.
又DC在面PCD上,故面PAD⊥面PCD
(Ⅱ)解:因
由此得AC与PB所成的角为
(Ⅲ)解:在MC上取一点N(x,y,z),则存在使
要使
即为所求
7.在正四面体ABCD中,E、F分别为AD、BC的中点。
(1)求CE与AF所成的角;(2)求直线CE与平面BCD所成的角。
解:(1)连结FD,取FD的中点G,连结GE,∵E、G分别是AD、FD的中点,∴,故∠CEG(或其补角)即为CE与AF所成的角。设AB=a,在ΔCEG中,
故CE与AF所成的角为。
(2)∵正四面体ABCD,∴BC⊥AF,BC⊥DF,
∴BC⊥面AFD,∴面AFD⊥面BCD,过E作EH⊥DF于H,
则EH⊥面BCD,则∠ECH为CE与面BCD所成的角。
在RtΔCEH中,,
即CE与平面BCD成的角为。
6.正六棱柱ABCDED-A1B1C1D1E1F1的底面边长为1,侧棱长为,则这个棱柱的侧面对角线E1D与BC1所成的角为 60° 。
5.在△ABC中,M,N分别是AB,AC的中点,PM⊥平面ABC,当BC=18,PM=时,PN和平面ABC所成的角是 30°.
4.已知二面角的大小为,为异面直线,且,则
所成的角为( B )
A. B. C. D.
3.如图在正三角形ABC中,E、D、F分别为各边的中
点,G、H、I、J分别为AF、AD、BE、DE的中点,
将三角形沿DE、EF、DF折成三棱锥以后,GH与
IJ所成角的度数为( B )
A.90° B.60° C.45° D.30°
2.如果平面的一条斜线长是它在这个平面上射影长的3倍,那么这条斜线与平面
所成角的余弦值为( A )
1.平面的斜线交于点,过定点的动直线与垂直,且交于点,则动点的轨迹是( A )
(A)一条直线 (B)一个圆 (C)一个椭圆 (D)双曲线的一支
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
★★★高考将考什么
[范例1]在的二面角中, ,已知点A和B到棱的距离分别为2和4,且AB=10。求
(1)直线AB与棱a所成的角;(2)直线AB与平面β所成的角。
解:(1)如图所示,在平面α内,过A作AC⊥α,垂足为C;在平面β内,过B作BD⊥β,垂足为D;又在平面β内,过B作BECD,
连结CE,则∠ABE为AB与α所成的角,CEBD,
从而CE⊥α,∠ACE=1200,∠AEB=900。
在ΔACE中,由余弦定理得
在RtΔAEB中,。故直线AB与棱a所成的角为
(2)过点A作,则垂足在的另一半平面上。
在RtΔAA′C中,。
在RtΔAB中,。
故直线AB与平面β所成的角为
[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。
[文]如右下图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,已知AB= 4, AD =3, AA1= 2.
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.
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
设向量与平面C1DE垂直,则有
(II)设EC1与FD1所成角为β,则
。
[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,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
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).
设与的夹角为,则,
∴AC与PB所成角的余弦值为
(Ⅱ) N点在侧面PAB内,故可设N点坐标为(x, 0, z),则
由NE⊥面PAC可得
即
化简得
即N点的坐标为(,0,1),从而N点到AB、AP的距离分别为1,
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=,
∴, 即AC与PB所成角的余弦值为
(Ⅱ)在面ABCD内过D作AC的垂线交AB于F,则.
连PF,则在RtΔADF中DF=.
设N为PF的中点,连NE,则NE//DF,
∵DF⊥AC,DF⊥PA,∴DF⊥面PAC从而NE⊥面PAC
∴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。
[文]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。
(1)求证:AB平面BCD
(2)求异面直线BC与AD所成的角。
解:(1)在梯形ABCD中,,AD=2,
,
又平面ACD,故
又,且
平面BCD
(2)因为BA=BC,,
为AC中点,取CD中点E,AB中点F,连结OE、OF、EF,则OE//AD,
OF//BC,所以AD与BC所成的角为或其补角.
作FH//BO交AC于H,连结HE, 则FH平面ACD
在三角形EOF中,又,EO=1
由余弦定理知
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]如图,在斜三棱柱中,
,侧面与底面ABC所成的二面角为,E、F分别是棱
的中点
(Ⅰ)求与底面ABC所成的角
(Ⅱ)证明∥平面
(Ⅲ)求经过四点的球的体积
解:(Ⅰ)过作平面,垂足为
连结,并延长交于,
于是为与底面所成的角
∵,∴为的平分线
又∵,∴,且为的中点. 由三垂线定理.
∵,且,∴.
于是为二面角的平面角,即.
由于四边形为平行四边形,得.
(Ⅱ)证明:设与的交点为,则点为的中点.连结.
在平行四边形中,因为的中点,故.
而平面,平面,所以平面.
(Ⅲ)连结.在和中,由于,,
,则≌,故.由已知得
又∵平面,∴为的外心
设所求球的球心为,则,且球心与中点的连线
在中,.
故所求球的半径,球的体积.
[点晴](Ⅰ)(Ⅱ)两小题注意使用二面角属于简单立几问题。(Ⅲ)要注意球的几何性质以及平面几何知识的合理利用。
[文]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。
得,故面PDE与面PAD所成二面角的大小为
(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,
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。
[范例4]如图,已知平行六面体的底
面ABCD是菱形,且.
(I)证明:C1C⊥BD; (II)假定CD=2,C1C=,记面C1BD为α,面CBD为β,
求二面角α BD β的平面角的余弦值;
(III)当的值为多少时,能使A1C⊥平面C1BD?请给出证明。
(I)证明:连结、AC,AC和BD交于O,连结.
∵ 四边形ABCD是菱形,∴ AC⊥BD,BC=CD.
又∵,
∴ , ∴ ,
∵ DO=OB, ∴ BD,但 AC⊥BD,
AC∩=O, ∴ BD⊥平面.
又 平面, ∴ BD.
(II)解:由(I)知AC⊥BD,BD,
∴ 是二面角的平面角.
在中,BC=2,,,
∴ .
∵ ∠OCB=,∴ OB=BC=1.∴ ,
∴ 即.作⊥OC,垂足为H
∴ 点H是OC的中点,且OH ,所以 . (III)当时,能使⊥平面.
证法一:∵ ,∴ BC=CD=,又,
由此可推得BD=.∴三棱锥C- 是正三棱锥 设与相交于G.∵∥AC,且∶OC=2∶1,∴∶GO=2∶1.
又是正三角形的BD边上的高和中线,
∴点G是正三角形的中心,∴CG⊥平面.即⊥平面
证法二:由(I)知,BD⊥平面,∵平面,∴BD⊥.
当时 ,平行六面体的六个面是全等的菱形,
同BD⊥的证法可得⊥.又 BD∩=B,∴⊥平面.
[点晴]本题综合考查了立体几何的各种基础知识,(III)作为开放题有一定难度,常使用猜测(或特殊情形猜测)再分析证明的解决方法。
[文]如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长
为a的正方形,并且PD=a,PA=PC=。
(1)求证:PD⊥平面ABCD;
(2)求异面直线PB与AC所成的角;
(3)求二面角A-PB-D的大小。
(4)在这个四棱锥中放一个球,求球的最大半径。
解:(1)PC=,PD=PC=a,∴DPDC是RtD,且PD⊥DC,
同理PD⊥AD,又AD∩DC=D, ∴PD⊥平面ABCD。
(2)连BD,因ABCD是正方形,∴BD⊥AC,又PD⊥平面ABCD。
BD是PB在面ABCD上的射影,由三垂线定理得PB⊥AC,∴PB与AC成90°角。
(3)设AC∩BD=O,作AE⊥PB于E,连OE,
∵AC⊥BD,又PD⊥平面ABCD,ACÌ平面ABCD,∴PD⊥AC,
又PD∩BD=D, ∴AC⊥平面PDB,则OE是AE在平面PDB上的射影。
由三垂线定理逆定理知OE⊥PB, ∴ÐAEO是二面角A-PB-D的平面角。
又AB=a,PA=,PB=, ∵PD⊥平面ABCD,DA⊥AB,
∴PA⊥AB,在RtDPAB中,AE•PB=PA•AB。∴AE=,又AO=
∴,ÐAEO=60°,二面角A-PB-D的大小为60°。
(4)设此球半径为R,最大的球应与四棱锥各个面相切,球心为S,连SA、SB、SC、SD、SP,则把此四棱锥分为五个小四棱锥,它们的高均为R,由体积关系得:
[点晴]解决(4)的关键是确定球与四棱锥具有怎样的位置关系时,半径最大,此时怎样建立关于球的半径的等量关系式。立体几何中的最值问题,常有两种解决方法:
(1)建立所求量的函数关系式,再求最值;
(2)根据立体几何的有关知识,确定在什么位置时,所求量取最值。
★★★自我提升
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