&第三章 空间向量与立体几何 单元测试(时间:90分钟 满分:120分) 第Ⅰ卷(选择题,共50分)一、选择题:本大题共10小题,每小题5分,共50分. 1.以下四组向量中,互相平行的组数为( )①a =(2,2,1),b =(3,-2,-2);②a =(8,4,-6),b =(4,2,-3);③a =(0,-1,1),b =(0,3,-3);④a =(-3,2,0),b =(4,-3,3)A .1组B .2组C .3组D .4组:解析:∵②中a =2b ,∴a ∥b ;③中a =-13b ,∴a ∥b ;而①④中的向量不平行. 答案:B2.在以下命题中,不正确的个数为( )①|a |-|b |=|a +b |是a ,b 共线的充要条件;②若a ∥b ,则存在唯一的实数λ,使a =λb ;③对空间任意一点O 和不共线的三点A ,B ,C ,若OP →=2OA →-2OB →-OC →,则P ,A ,B ,C 四点共面;④若{a ,b ,c }为空间的一组基底,则{a +b ,b +c ,c +a }构成空间的另一组基底;⑤|(a ·b )·c |=|a |·|b |·|c |.A .2个B .3个C .4个D .5个解析:①|a |-|b |=|a +b |⇒a 与b 共线,但a 与b 共线时|a |-|b |=|a +b |不一定成立,故不正确;②b 需为非零向量,故不正确;③因为2-2-1≠1,由共面向量定理知,不正确;④由基底的定义知正确;⑤由向量的数量积的性质知,不正确. !答案:C3.如图,已知四边形ABCD 为矩形,PA ⊥平面ABCD ,连接AC ,BD ,PB ,PC ,PD ,则下列各组向量中,数量积不一定为零的是( )与BD → 与PB → 与AB → 与CD →解析:建立如图所示的空间直角坐标系.设矩形ABCD 的长、宽分别为a ,b ,PA 长为c ,则A (0,0,0),B (b,0,0),D (0,a,0),C (b ,a,0),P (0,0,c ).-则PC →=(b ,a ,-c ),BD →=(-b ,a,0),DA →=(0,-a ,0),PB →=(b,0,-c ),PD →=(0,a ,-c ),AB →=(b,0,0),PA →=(0,0,-c ),CD →=(-b,0,0).∴PC →·BD →=-b 2+a 2不一定为0. DA →·PB →=0,PD →·AB →=0,PA →·CD →=0. 答案:A4.已知向量e 1、e 2、e 3是两两垂直的单位向量,且a =3e 1+2e 2-e 3,b=e 1+2e 3,则(6a )·⎝ ⎛⎭⎪⎫12b 等于( )A .15B .3C .-3D .5解析:(6a )·⎝ ⎛⎭⎪⎫12b =3a·b =3(3e 1+2e 2-e 3)·(e 1+2e 3)=9|e 1|2-6|e 3|2=3. !答案:B5.如图,AB =AC =BD =1,AB ⊂面α,AC ⊥面α,BD ⊥AB ,BD 与面α成30°角,则C 、D 间的距离为( )A .1B .2解析:|CD →|2=|CA →+AB →+BD →|2=|CA →|2+|AB →|2+|BD →|2+2CA →·AB →+2AB →·BD →+2CA →·BD →=1+1+1+0+0+2×1×1×cos120°=2.∴|CD →|=2.答案:C6.已知空间三点O (0,0,0),A (-1,1,0),B (0,1,1)在直线OA 上有一点H 满足BH ⊥OA ,则点H 的坐标为( ) !A .(-2,2,0)B .(2,-2,0)解析:由OA →=(-1,1,0),且点H 在直线OA 上,可设H (-λ,λ,0),则BH →=(-λ,λ-1,-1).又BH ⊥OA ,∴BH →·OA →=0,即(-λ,λ-1,-1)·(-1,1,0)=0,即λ+λ-1=0,解得λ=12,∴H ⎝ ⎛⎭⎪⎫-12,12,0.答案:C7.已知a =(cos α,1,sin α),b =(sin α,1,cos α),则向量a +b 与a -b 的夹角是( )]A .90°B .60°C .30°D .0°解析:(a +b )·(a -b )=a 2-b 2=(cos 2α+sin 2α+1)-(sin 2α+1+cos 2α)=0,∴(a +b )⊥(a -b ).答案:A8.已知E 、F 分别是棱长为1的正方体ABCD A 1B 1C 1D 1的棱BC 、CC 1的中点,则截面AEFD 1与底面ABCD 所成二面角的正弦值是( )》解析:以D 为坐标原点,以DA 、DC 、DD 1分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,如图.则A (1,0,0),E ⎝ ⎛⎭⎪⎫12,1,0,F ⎝⎛⎭⎪⎫0,1,12,D 1(0,0,1),l 所以AD 1→=(-1,0,1),AE →=⎝ ⎛⎭⎪⎫-12,1,0.设平面AEFD 1的法向量为n =(x ,y ,z ), 则⎩⎪⎨⎪⎧n ·AD 1→=0,n·AE →=0,⇒⎩⎪⎨⎪⎧-x +z =0,-x2+y =0.∴x =2y =z .取y =1,则n =(2,1,2),而平面ABCD 的一个法向量为u =(0,0,1),∵cos 〈n ,u 〉=23,∴sin 〈n ,u 〉=53.答案:C9.在三棱锥P ABC 中,△ABC 为等边三角形,PA ⊥平面ABC ,且PA =AB ,则二面角A PB C 的平面角的正切值为( )&解析:设PA =AB =2,建立如图所示的空间直角坐标系. 则B (0,2,0),C (3,1,0),P (0,0,2), ∴BP →=(0,-2,2), BC →=(3,-1,0).设n =(x ,y ,z )是平面PBC 的一个法向量. 则⎩⎪⎨⎪⎧BP →·n =0,BC →·n =0,即⎩⎪⎨⎪⎧-2y +2z =0,3x -y =0.令y =1,则x =33,z =1.《即n =⎝⎛⎭⎪⎪⎫33,1,1.易知m =(1,0,0)是平面PAB 的一个法向量.则cos 〈m ,n 〉=m·n|m ||n |=331×213=77. ∴正切值tan 〈m ,n 〉= 6.答案:A10.已知OA →=(1,2,3),OB →=(2,1,2),OP →=(1,1,2),点Q 在直线OP 上运动,则当QA →·QB →取得最小值时,点Q 的坐标为( )"解析:∵Q 在OP 上,∴可设Q (x ,x,2x ),则QA →=(1-x,2-x,3-2x ),QB →=(2-x,1-x,2-2x ). ∴QA →·QB →=6x 2-16x +10, ∴x =43时,QA →·QB →最小,这时Q ⎝ ⎛⎭⎪⎫43,43,83.答案:C第Ⅱ卷(非选择题,共70分)二、填空题:本大题共4小题,每小题5分,共20分.、11.已知a =(3,-2,-3),b =(-1,x -1,1),且a 与b 的夹角为钝角,则x 的取值范围是__________.解析:因为a 与b 的夹角为钝角,于是-1<cos 〈a ,b 〉<0,因此a·b <0,且a 与b 的夹角不为π,即cos 〈a ,b 〉≠-1.解得x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫-2,53∪⎝ ⎛⎭⎪⎫53,+∞.答案:⎝ ⎛⎭⎪⎫-2,53∪⎝ ⎛⎭⎪⎫53,+∞12.如图所示,已知正四面体ABCD中,AE=14AB,CF=14CD,则直线DE和BF所成的角的余弦值为__________.解析:ED→=EA→+AD→=14BA→+AD→,BF→=BC→+CF→=BC→+14CD→,}cos〈ED→,BF→〉=ED→·BF→|ED→|·|BF→|=⎝⎛⎭⎪⎪⎫14BA→+AD→·⎝⎛⎭⎪⎪⎫BC→+14CD→⎝⎛⎭⎪⎪⎫14BA→+AD→2·⎝⎛⎭⎪⎪⎫BC→+14CD→2=413.答案:41313.已知a=(x,2,-4),b=(-1,y,3),c=(1,-2,z),且a,b,c 两两垂直,则(x ,y ,z )=__________.解析:由题意知⎩⎪⎨⎪⎧-x +2y -12=0,x -4-4z =0,-1-2y +3z =0,解得x =-64,y =-26,z =-17. 答案:(-64,-26,-17))14.已知空间四边形OABC ,如图所示,其对角线为OB 、AC ,M 、N 分别为OA 、BC 的中点,点G 在线段MN 上,且MG →=3GN →,现用基向量OA →、OB →、OC →表示向量OG →,并设OG →=x ·OA →+y ·OB →+z ·OC →,则x 、y 、z 的和为__________.解析:OG →=OM →+MG →=12OA →+34MN →=12OA →+34⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫-12OA →+OC →+12CB →=12OA →-38OA →+34OC →+38OB →-38OC →=18OA →+38OB →+38OC →, ∴x =18,y =38,z =38.∴x +y +z =78.答案:78三、解答题:本大题共4小题,满分50分. 15.(12分)已知a =(1,2,-2).、(1)求与a 共线的单位向量b ;(2)若a 与单位向量c =(0,m ,n )垂直,求m 、n 的值. 解:(1)设b =(λ,2λ,-2λ),而b 为单位向量, ∴|b |=1,即λ2+4λ2+4λ2=9λ2=1. ∴λ=±13.(4分)∴b =⎝ ⎛⎭⎪⎫13,23,-23或b =⎝ ⎛⎭⎪⎫-13,-23,23.(6分)(2)由题意,知⎩⎪⎨⎪⎧a·c =0,|c |=1,⇒⎩⎪⎨⎪⎧1×0+2m -2n =0,m 2+n 2+02=1,解得⎩⎪⎨⎪⎧m =22,n =22,或⎩⎪⎨⎪⎧m =-22,n =-22.(12分)·16.(12分)如下(左)图,在Rt △ABC 中,∠C =90°,BC =3,AC =6,D ,E 分别为AC 、AB 上的点,且DE ∥BC ,DE =2,将△ADE 沿DE 折起到△A 1DE的位置,使A 1C ⊥CD ,如下(右)图.(1)求证:A1C⊥平面BCDE;(2)若M是A1D的中点,求CM与平面A1BE所成角的大小.解:(1)∵AC⊥BC,DE∥BC,∴DE⊥AC.∴DE⊥A1D,DE⊥CD,∴DE⊥平面A1DC.∴DE⊥A1C.又∵A1C⊥CD,》∴A1C⊥平面BCDE.(4分)(2)如图所示,以C为坐标原点,建立空间直角坐标系C-xyz,则A1(0,0,23),D(0,2,0),M(0,1,3),B(3,0,0),E(2,2,0).设平面A 1BE 的法向量为n =(x ,y ,z ),则n ·A 1B →=0,n ·BE →=0. 又A 1B →=(3,0,-23), BE →=(-1,2,0),∴⎩⎪⎨⎪⎧3x -23z =0,-x +2y =0.令y =1,则x =2,z =3,∴n =(2,1,3).;设CM 与平面A 1BE 所成的角为θ.∵CM →=(0,1,3),∴sin θ=|cos 〈n ,CM →〉|=|n ·CM →|n |·|CM →||=48×4=22.∴CM 与平面A 1BE 所成角的大小为π4.(12分)17.(12分)如图,已知正方形ABCD 和矩形ACEF 所在的平面互相垂直,AB =2,AF =1,M 是线段EF 的中点.(1)求证:AM ∥平面BDE ;(2)试在线段AC 上确定一点P ,使得PF 与CD 所成的角是60°.`解:(1)证明:如图,建立空间直角坐标系. 设AC ∩BD =N ,连接NE ,则N ⎝⎛⎭⎪⎪⎫22,22,0,E (0,0,1), ∴NE →=⎝⎛⎭⎪⎪⎫-22,-22,1. 又A (2,2,0),M ⎝⎛⎭⎪⎪⎫22,22,1, ∴AM →=⎝⎛⎭⎪⎪⎫-22,-22,1. ∴NE →=AM →,且NE 与AM 不共线.%∴NE ∥AM .又NE ⊂平面BDE ,AM ⊄平面BDE , ∴AM ∥平面BDE .(6分) (2)设P (t ,t,0)(0≤t ≤2),则PF →=(2-t ,2-t,1),CD →=(2,0,0). 又∵PF →与CD →所成的角为60°.|2-t ·2|2-t2+2-t 2+1·2=12, 解之得t =22,或t =322(舍去)."故点P 为AC 的中点.(12分)18.(14分)如图,在圆锥PO 中,已知PO =2,⊙O 的直径AB =2,C是AB ︵的中点,D 为AC 的中点.(1)证明:平面POD ⊥平面PAC ; (2)求二面角B PA C 的余弦值.解: (1)证明:如图所示,以O 为坐标原点,OB ,OC ,OP 所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐标系,则O (0,0,0),A (-1,0,0),B (1,0,0),C (0,1,0),P (0,0,2),D ⎝ ⎛⎭⎪⎫-12,12,0.设n 1=(x 1,y 1,z 1)是平面POD 的一个法向量,则由n 1·OD →=0,n 1·OP →=0,得⎩⎪⎨⎪⎧-12x 1+12y 1=0,2z 1=0.(4分)∴z 1=0,x 1=y 1.取y 1=1,得n 1=(1,1,0).设n 2=(x 2,y 2,z 2)是平面PAC 的一个法向量,则由n 2·PA →=0,n 2·PC →=0,得⎩⎪⎨⎪⎧-x 2-2z 2=0,y 2-2z 2=0.∴x 2=-2z 2,y 2=2z 2, 取z 2=1,得n 2=(-2,2,1). ∵n 1·n 2=(1,1,0)·(-2,2,1)=0, ∴n 1⊥n 2.从而平面POD ⊥平面PAC .(8分) (2)∵y 轴⊥平面PAB .∴平面PAB 的一个法向量为n 3=(0,1,0).由(1)知,平面PAC 的一个法向量为n 2=(-2,2,1).设向量n 2和n 3的夹角为θ,则cos θ=n 2·n 3|n 2|·|n 3|=25=105.由图可知,二面角B PA C 的平面角与θ相等,∴二面角B PA C的余弦值为105.(14分)。