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空间向量和立体几何典型例题

空间向量与立体几何典型例题一、选择题:1.(2008全国Ⅰ卷理)已知三棱柱111ABC A B C -的侧棱与底面边长都相等,1A 在底面ABC 内的射影为ABC △的中心,则1AB 与底面ABC 所成角的正弦值等于( C )A .13B.3 C.3 D .231.解:C .由题意知三棱锥1A ABC -为正四面体,设棱长为a,则1AB =,棱柱的高13AO a ===(即点1B 到底面ABC 的距离),故1AB 与底面ABC所成角的正弦值为11AO AB =另解:设1,,AB AC AA 为空间向量的一组基底,1,,AB AC AA 的两两间的夹角为060 长度均为a ,平面ABC 的法向量为111133OA AA AB AC =--,11AB AB AA =+ 2111126,,333OA AB a OA AB ⋅=== 则1AB 与底面ABC 所成角的正弦值为111123OA AB AO AB ⋅=.二、填空题:1.(2008全国Ⅰ卷理)等边三角形ABC 与正方形ABDE 有一公共边AB ,二面角C ABD --M N ,分别是AC BC ,的中点,则EM AN ,所成角的余弦值等于 61. 1.答案:16.设2AB =,作CO ABDE ⊥面,OH AB ⊥,则CH AB ⊥,CHO ∠为二面角C AB D --cos 1CH OH CH CHO ==⋅∠=,结合等边三角形ABC 与正方形ABDE 可知此四棱锥为正四棱锥,则AN EM ==11(),22AN AC AB EM AC AE =+=-,11()()22AN EM AB AC AC AE ⋅=+⋅-=12故EM AN ,所成角的余弦值16AN EM AN EM ⋅= 另解:以O 为坐标原点,建立如图所示的直角坐标系, 则点(1,1,0),(1,1,0),(1,1,0),A B E C ----,1111(,,(,,)222222M N ---,则3121321(,,),(,,),,32222222AN EM AN EM AN EM ==-⋅===, 故EM AN ,所成角的余弦值16AN EM AN EM ⋅=.三、解答题: 1.(2008安徽文)如图,在四棱锥O ABCD -中,底面ABCD 四边长为1的 菱形,4ABC π∠=, OA ABCD ⊥底面, 2OA =,M 为OA 的中点。

(Ⅰ)求异面直线AB 与MD 所成角的大小; (Ⅱ)求点B 到平面OCD 的距离。

1.方法一(综合法)(1)CD ‖AB,MDC ∠∴为异面直线AB 与MD 所成的角(或其补角) 作,AP CD P ⊥于连接MP ⊥⊥平面A B C D ,∵OA ∴CD MP ,42ADP π∠=∵∴DP =MD ==∵ 1cos ,23DP MDP MDC MDP MD π∠==∠=∠=∴所以 AB 与MD 所成角的大小为3π(2)AB 平面∵∴‖OCD,点A 和点B 到平面OCD的距离相等,连接OP,过点A 作AQ OP ⊥于点Q ,,,,AP CD OA CD CD OAP ⊥⊥⊥平面∵∴ ,AQ OAP AQ CD ⊂⊥平面∵∴又 ,AQ OP AQ OCD ⊥⊥平面∵∴,线段AQ 的长就是点A 到平面OCD 的距离2OP ====∵,2AP DP ==2222332OA AP AQ OP ===∴,所以点B 到平面OCD 的距离为23方法二(向量法)作AP CD ⊥于点P,如图,分别以AB,AP,AO 轴建立坐标系(0,0,0),(1,0,0),((0,0,2),(0,A B P D O M(1)设AB 与MD 所成的角为θ,(1,0,0),(1)22AB MD ==--∵ 1cos ,23AB MDAB MD πθθ===⋅∴∴ ,∴AB 与MD 所成角的大小为3π (2) 22(0,,2),(2)OPOD =-=--∵ ∴设平面OCD 的法向量为(,,)n x y z =,则0,0n OP n OD ==即2020y z x y z -=⎨⎪+-=⎪⎩取z =解得(0,n =设点B 到平面OCD 的距离为d ,则d 为OB 在向量(0,n =上的投影的绝对值, (1,0,2)OB =-∵, 23OB n d n⋅==∴. 所以点B 到平面OCD 的距离为232.(2008安徽理)如图,在四棱锥O ABCD -中,底面ABCD 四边长为1的菱形,4ABC π∠=, OA ABCD ⊥底面, 2OA =,M 为OA 的中点,N 为BC 的中点。

(Ⅰ)证明:直线MN OCD 平面‖;(Ⅱ)求异面直线AB 与MD 所成角的大小; (Ⅲ)求点B 到平面OCD 的距离。

2. 方法一(综合法)(1)取OB 中点E ,连接ME ,NEME CD ME CD ∴,‖AB,AB ‖‖又,NE OC MNE OCD ∴平面平面‖‖MN OCD ∴平面‖ (2)CD ‖AB,MDC ∠∴为异面直线AB 与MD 所成的角(或其补角)作,AP CD P ⊥于连接MP ⊥⊥平面A B C D ,∵OA ∴CD MP ,4ADP π∠=∵∴DP =MD ==NB1cos ,23DP MDP MDC MDP MD π∠==∠=∠=∴ 所以 AB 与MD 所成角的大小为3π(3)AB 平面∵∴‖OCD,点A 和点B 到平面OCD 的距离相等,连接OP,过点A 作 AQ OP ⊥ 于点Q ,,,,AP CD OA CD CD OAP AQ CD ⊥⊥⊥⊥平面∵∴∴ 又 ,AQ OP AQ OCD ⊥⊥平面∵∴,线段AQ 的长就是点A 到平面OCD 的距离2OP ====∵,2AP DP ==2222332OA AP AQ OP ===∴,所以点B 到平面OCD 的距离为23方法二(向量法)作AP CD ⊥于点P,如图,分别以AB,AP,AO 所在直线为,,x y z 轴建立坐标系(0,0,0),(1,0,0),(0,(,0),(0,0,2),(0,0,1),(1,0)22244A B P D O MN --,(1)2222(1,,1),(0,,2),(2)44222MN OP OD =--=-=-- 设平面OCD 的法向量为(,,)n x yz =,则0,n OP n =即2022022y z x y z -=⎪⎪⎨⎪-+-=⎪⎩取z =解得(0,n =22(1,,1)(0,4,2)0MN n =--=∵ MN OCD ∴平面‖ (2)设AB 与MD 所成的角为θ,(1,0,0),(1)22AB MD ==--∵ 1cos ,23AB MDAB MD πθθ===⋅∴∴ , AB 与MD 所成角的大小为3π(3)设点B 到平面OCD 的交流为d ,则d 为OB 在向量(0,n =上的投影的绝对值, 由 (1,0,2)OB =-, 得23OB n d n⋅==.所以点B 到平面OCD 的距离为233.(2008北京文)如图,在三棱锥P -ABC 中,AC =BC =2,∠ACB =90°,AP =BP =AB ,PC⊥AC .(Ⅰ)求证:PC ⊥AB ;(Ⅱ)求二面角B -AP -C 的大小.3.解法一:(Ⅰ)取AB 中点D ,连结PD ,CD . ∵AP =BP , ∴PD ⊥AB . ∵AC =BC . ∴CD ⊥AB . ∵PD ∩CD =D . ∴AB ⊥平面PCD . ∵PC ⊂平面PCD , ∴PC ⊥AB .(Ⅱ)∵AC =BC ,AP =BP , ∴△APC ≌△BPC . 又PC ⊥AC , ∴PC ⊥BC.又∠ACB =90°,即AC ⊥BC , 且AC ∩PC =C , ∴AB =BP , ∴BE ⊥AP .∵EC 是BE 在平面P AC 内的射影, ∴CE ⊥AP .∴∠BEC 是二面角B -AP-C 的平面角. 在△BCE 中,∠BCE =90°,BC=2,BE =623=AB , ∴sin ∠BEC =.36=BE BC ∴二面角B -AP -C 的大小为aresin.36解法二:(Ⅰ)∵AC =BC ,AP =BP , ∴△APC ≌△BPC . 又PC ⊥AC . ∴PC ⊥BC. ∵AC ∩BC =C , ∴PC ⊥平面ABC . ∵AB ⊂平面ABC , ∴PC ⊥AB .(Ⅱ)如图,以C 为原点建立空间直角坐标系C-xyz. 则C (0,0,0),A (0,2,0),B (2,0,0). 设P (0,0,t ),∵|PB |=|AB |=22, ∴t =2,P (0,0,2).取AP 中点E ,连结BE ,CE .∵|AC |=|PC |,|AB |=|BP |, ∴CE ⊥AP ,BE ⊥AP .∴∠BEC 是二面角B-AP -C 的平面角. ∵E (0,1,1),),1,1,2(),1,1,0(--=--= ∴cos ∠BEC.33622=⋅=∴二面角B-AP-C 的大小为arccos.33 4.(2008北京理)如图,在三棱锥P ABC -中,2AC BC ==,90ACB ∠=,AP BP AB ==,PC AC ⊥.(Ⅰ)求证:PC AB ⊥;(Ⅱ)求二面角B AP C --的大小; (Ⅲ)求点C 到平面APB 的距离.4.解法一:(Ⅰ)取AB 中点D ,连结PD CD ,.AP BP =, PD AB ∴⊥. AC BC =, CD AB ∴⊥. PD CD D =, AB ∴⊥平面PCD . PC ⊂平面PCD , PC AB ∴⊥.(Ⅱ)AC BC =,AP BP =, APC BPC ∴△≌△. 又PC AC ⊥, PC BC∴⊥. 又90ACB ∠=,即AC BC ⊥,且AC PC C =,BC ∴⊥平面PAC .取AP 中点E .连结BE CE ,. AB BP =,BE AP ∴⊥.EC 是BE 在平面PAC 内的射影, CE AP ∴⊥.BEC ∴∠是二面角B AP C --的平面角. 在BCE △中,90BCE ∠=,2BC =,2BE AB ==sin 3BC BEC BE ∴∠==. ∴二面角B AP C --的大小为arcsin3. (Ⅲ)由(Ⅰ)知AB ⊥平面PCD , ∴平面APB ⊥平面PCD .过C 作CH PD ⊥,垂足为H . 平面APB 平面PCD PD =, CH ∴⊥平面APB .CH ∴的长即为点C 到平面APB 的距离.AB D PABEP ABDPH由(Ⅰ)知PC AB ⊥,又PC AC ⊥,且AB AC A =,PC ∴⊥平面ABC . CD ⊂平面ABC , PC CD ∴⊥. 在Rt PCD △中,12CD AB ==PD PB ==2PC ∴==. 23PC CD CH PD ∴==.∴点C 到平面APB .解法二:(Ⅰ)AC BC =,AP BP =, APC BPC ∴△≌△. 又PC AC ⊥, PC BC ∴⊥. AC BC C =, PC ∴⊥平面ABC . AB ⊂平面ABC , PC AB ∴⊥.(Ⅱ)如图,以C 为原点建立空间直角坐标系C xyz -. 则(000)(020)(200)C A B ,,,,,,,,. 设(00)P t,,.PB AB ==,2t ∴=,(002)P ,,. 取AP 中点E ,连结BE CE ,. AC PC =,AB BP =, CE AP ∴⊥,BE AP ⊥.BEC ∴∠是二面角B AP C --的平面角.(011)E ,,,(011)EC =--,,,(211)EB =--,,, 3cos 26EC EB BEC EC EB∴∠===. ∴二面角B AP C --的大小为. (Ⅲ)AC BC PC ==,C ∴在平面APB 内的射影为正APB △的中心H ,且CH 的长为点C 到平面APB 的距离. 如(Ⅱ)建立空间直角坐标系C xyz -.2BH HE =,∴点H 的坐标为222333⎛⎫⎪⎝⎭,,.233CH ∴=.∴点C 到平面APB的距离为3.5. (2008福建文) 如图,在四棱锥中,侧面PAD ⊥底面ABCD,侧棱,底面ABCDy为直角梯形,其中BC ∥AD,AB ⊥CD,AD=2AB=2BC=2,O 为AD 中点。

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