2019-2020年高考数学大一轮复习热点聚焦与扩展专题44举重若轻——立体几何问题的.pdf
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1、推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料专题 44 举重若轻-立体几何问题的空间向量方法(II)【热点聚焦与扩展】利用空间向量证明平行或垂直是高考的热点,内容以解答题中的一问为主,主要围绕考查空间直角坐标系的建立、空间向量的坐标运算能力和分析解决问题的能力命制试题,以多面体为载体、证明线面(面面)的平行(垂直)关系是主要命题方向空间的角与距离的计算(特别是角的计算)是高考热点,一般以大题的条件或一小问形式呈现,考查用向量方法解决立体几何问题,将空间几何元素之间的位置关系转化为数量关系,并通过计算解决立体几何问题距离问题往往在与有关面积、体积的计算中加以考查此类问题往往属于“证算并重”题,即第一
2、问用几何法证明平行关系或垂直关系,第二问则通过建立空间直角坐标系,利用空间向量方法进一步求角或距离.本专题通过例题重点说明利用空间向量求角和距离、存在性问题的方法与技巧.(一)空间向量可解决的立体几何问题(用,a b表示直线,a b的方向向量,用,m n表示平面,的法向量)1、判定(证明)类(1)线面平行:abab(2)线面垂直:abab(3)面面平行:mn(4)面面垂直:mn2、计算类:(1)两直线所成角:coscos,a ba ba b(2)线面角:cos,sina ma ma m(3)二面角:coscos,m nm nm n或coscos,m nm nm n(视平面角与法向量夹角关系而定
3、)(4)点到平面距离:设A为平面外一点,P为平面上任意一点,则A到平面的距离为推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料AAP ndn,即AP在法向量n上投影的绝对值.(二)点的存在性问题:在立体几何解答题中,最后一问往往涉及点的存在性问题,即是否在某条线上存在一点,使之满足某个条件,本讲主要介绍使用空间向量解决该问题时的方法与技巧1、理念:先设再求 先设出所求点的坐标,x y z,再想办法利用条件求出坐标2、解题关键:减少变量数量,x y z可表示空间中的任一点,但题目中所求点往往是确定在某条线或者某个平面上的,所以使用三个变量比较“浪费”(变量多,条件少,无法求解),要考虑减少变量的个数,最
4、终所使用变量的个数可根据如下条件判断:(1)直线(一维)上的点:用一个变量就可以表示出所求点的坐标(2)平面(二维)上的点:用两个变量可以表示所求点坐标规律:维度=所用变量个数3、如何减少变量:(1)直线上的点(重点):平面向量共线定理若,abR使得ab例:已知1,3,4,0,2,1AP,那么直线AP上的某点,Mx y z坐标可用一个变量表示,方法如下:1,3,4,1,1,3AMxyzAP三点中取两点构成两个向量因为M在AP上,所以AMAPAMAP共线定理的应用(关键)11334343xxyyzz,即1,3,43M仅用一个变量表示(2)平面上的点:平面向量基本定理若,a b不共线,则平面上任意
5、一个向量c,均存在,R,使得:cab例:已知1,3,4,0,2,1,2,4,0APQ,则平面APQ上的某点,Mx y z坐标可用两个变量表示,方法如下:1,3,4,1,1,3,2,2,1AMxyzAPPQ,故AMAPPQ,即121232324343xxyyzz推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料(三)方法与技巧1.两条异面直线所成的角定义:设a,b是两条异面直线,过空间任一点O作直线aa,bb,则a与b所夹的锐角或直角叫做a与b所成的角范围:两异面直线所成角 的取值范围是(0,2向量求法:设直线a,b的方向向量为a,b,其夹角为,则有cos|cos|a bab.2.直线和平面所成角的求法:
6、如图所示,设直线l的方向向量为e,平面 的法向量为n,直线l与平面 所成的角为,两向量e与n的夹角为,则有 sin|cos|en|e|n|.3.求二面角的大小(1)如图 1,AB、CD是二面角l 的两个面内与棱l垂直的直线,则二面角的大小 AB,CD(2)如图 2、3,12,n n分别是二面角l 的两个半平面,的法向量,则二面角的大小12,n n(或12,n n)4.点面距的求法如图,设AB为平面 的一条斜线段,n为平面 的法向量,则B到平面 的距离d|ABn|n|.【经典例题】例 1.如图,正四面体ABCD中,E、F分别是棱BC和AD的中点,则直线AE和CF所成的角的余弦值为()推荐学习K1
7、2 资料推荐学习K12 资料A.13 B.23 C.14 D.34【答案】B【解析】如图所示,作AO 底面 BCD,垂足为O,O为底面等边 BCD的中心,建立空间直角坐标系不妨取 CD=2 则:332 3131,0,1,0,0,0,033,326CDBE,利用空间向量求解余弦值有:2cos,3AE CFAE CFAECF.异面直线AE与 CF所成角的余弦值为23.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料例 2.【2017 江苏,22】如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,AA1平面 ABCD,且 AB=AD=2,AA1=3,120BAD.(1)求异面直线A1B与 AC1所成角的余弦值
8、;(2)求二面角B-A1D-A 的正弦值.【答案】(1)17(2)74推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料例 3.如图,在长方体1111CDC D中,11,D2,、F分别是、C的中点证明1、1C、F、四点共面,并求直线1CD与平面11C F所成的角的正弦值大小.【答案】1515推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料【解析】解:如图,以D为原点建立空间直角坐标系,可得有关点的坐标为12,0,1、1C0,2,1、2,1,0、F 1,2,0、C 0,2,0、1D0,0,1取1u,得平面11C F的一个法向量)1,1,1(n又1CD0,2,1,故11CD1
9、515CDnn因此直线1CD与平面FECA11所成的角的正弦值大小为1515例 4.如图,三棱柱111ABCA B C中,01111160,4B A AC A AAAAC,2AB,,P Q分别为棱1,AA AC的中点.(1)在平面ABC内过点A作/AM平面1PQB交BC于点M,并写出作图步骤,但不要求证明.(2)若侧面11ACC A侧面11ABB A,求直线11AC与平面1PQB所成角的正弦值.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料【答案】(1)见解析(2)3913试题解析:(1)如图,在平面11ABB A内,过点A作1/ANB P交1BB于点N,连结BQ,在1B BQ中,作1/NHB Q交
10、BQ于点H,连结AH并延长交BC于点M,则AM为所求作直线.(2)连结11,PCAC,0111114,60AAACACC A A,11AC A为正三角形.P为1AA的中点,11PCAA,推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料Q为AC的中点,点Q的坐标为0,3,3,110,2,23,0,3,3ACPQ.011112,60A BABB A A,13,1,0B,13,1,0PB,设平面1PQB的法向量为,mx y z,由100PQ mPB m得33030yzxy,令1x,得3,3yz,所以平面1PQB的一个法向量为1,3,3m.设直线11AC与平面1PQB所成角为a,则11111139sincos
11、,13AC mACmACm,即直线11AC与平面1PQB所成角的正弦值为3913.例 5.【2017 课标 1,理 18】如图,在四棱锥P-ABCD中,AB/CD,且90BAPCDP.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料(1)证明:平面PAB 平面 PAD;(2)若 PA=PD=AB=DC,90APD,求二面角A-PB-C 的余弦值.【答案】(1)见解析;(2)33.【解析】试题解析:(1)由已知90BAPCDP,得 AB AP,CD PD.由于 AB CD,故 AB PD,从而 AB 平面 PAD.又 AB 平面 PAB,所以平面PAB 平面 PAD.推荐学习K12 资料推荐学习K12
12、资料由(1)及已知可得2(,0,0)2A,2(0,0,)2P,2(,1,0)2B,2(,1,0)2C.设(,)x y zm是平面PAB的法向量,则00PAABmm,即220220 xzy,可取(1,0,1)m.则3cos,|3n mn mnm,推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料所以二面角APBC的余弦值为33.例 6.【2017 课标 II,理 19】如图,四棱锥P-ABCD中,侧面PAD为等比三角形且垂直于底面ABCD,o1,90,2ABBCADBADABC E 是 PD的中点。(1)证明:直线/CE平面 PAB;(2)点 M在棱 PC 上,且直线BM与底面 ABCD 所成角为o45,
13、求二面角MABD的余弦值。【答案】(1)证明略;(2)105.【解析】试题解析:(2)由已知得BAAD,以 A为坐标原点,AB 的方向为x 轴正方向,AB 为单位长,推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料建立如图所示的空间直角坐标系Axyz,则0,0,0A,1,0,0B,1,1,0C,0,1,3P,(103)PC,,(10 0)AB,设,01Mx y zx则1,1,3BMxy zPMx yz,推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料例 7【2017 山东,理17】如图,几何体是圆柱的一部分,它是由矩形ABCD(及其内部)以AB边所在直线为旋转轴旋转120得到的,G是DF的中点.()设P是CE
14、上的一点,且APBE,求CBP的大小;()当3AB,2AD,求二面角EAGC的大小.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料【答案】()30CBP.()60.思路二:以B为坐标原点,分别以BE,BP,BA所在的直线为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料写出相关点的坐标,求平面AEG的一个法向量111(,)mx yz,平面ACG的一个法向量222(,)nxyz计算1cos,|2m nm nmn即得.()解法一:取EC的中点H,连接EH,GH,CH.因为120EBC,推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料又1AM,所以1312 3EMCM.在BEC
15、中,由于120EBC,由余弦定理得22222222cos12012EC,所以2 3EC,因此EMC为等边三角形,故所求的角为60.解法二:以B为坐标原点,分别以BE,BP,BA所在的直线为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料因此所求的角为60.例 8.【2017 北京,理 16】如图,在四棱锥P-ABCD中,底面 ABCD为正方形,平面PAD 平面 ABCD,点 M在线段 PB上,PD/平面 MAC,PA=PD=6,AB=4(I)求证:M为 PB的中点;(II)求二面角B-PD-A 的大小;(III)求直线MC与平面 BDP所成角的正弦值【答案】
16、()详见解析:()3;()2 69【解析】推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料(III)由题意知2(1,2,)2M,(2,4,0)D,2(3,2,)2MC.设直线MC与平面BDP所成角为,则|2 6sin|cos,|9|MCMCMCnnn.推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料所以直线MC与平面BDP所成角的正弦值为2 69.例 9.已知在四棱锥PABCD中,底面ABCD是矩形,且2,1,ADABPA平面ABCD,,E F分别是线段,AB BC的中点(1)求证:PFFD(2)在线段PA上是否存在点G,使得EG平面PFD,若存在,确定点G的位置;若不
17、存在,请说明理由(3)若PB与平面ABCD所成的角为45,求二面角APDF的余弦值FEADBCP【答案】(1)见解析;(2)存在点G,为AP的四等分点(靠近A);(3)66.【解析】因为PA平面ABCD,且四边形ABCD是矩形以,PA AD AB为轴建立空间直角坐标系,设PAh10,0,1,0,0,0,2,0,1,2,0,1,1,0,0,02PhBDCFE(1)1,1,1,1,0PFhFD0PFFDPFFD(2)设0,0,Ga1,0,2EGa推荐学习K12 资料推荐学习K12 资料1202EG nha解得14ah存在点G,为AP的四等分点(靠近A)(3)PA底面ABCDPB在底面ABCD的投影
18、为BAPBA为PB与平面ABCD所成的角,即45PBAPBA为等腰直角三角形1APAB即1h平面PFD的法向量为1,1,2n平面APD为yOz平面,所以平面APD的法向量为0,1,0m设二面角APDF的平面角为,可知为锐角16coscos,66m n.例 10.【2018 届北京市十一学校3 月模拟】四棱锥PABCD中,底面ABCD是边长为2的菱形,侧面PAD底面ABCD,BCD60,2PAPD,E是BC中点,点Q在侧棱PC上.()求证:ADPB;()是否存在Q,使平面DEQ平面PEQ?若存在,求出,若不存在,说明理由.()是否存在Q,使/PA平面DEQ?若存在,求出.若不存在,说明理由.推荐
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