高考专题突破四 高考中的立体几何问题

2022-10-31 15:30

高考专题突破四 高考中的立体几何问题

题型一 平行、垂直关系的证明

1 如图,在三棱柱ABCA1B1C1中,侧棱垂直于底面,ABBCAA1AC2BC1EF分别是A1C1BC的中点.

(1)求证:平面ABE平面B1BCC1

(2)求证:C1F平面ABE

(3)求三棱锥EABC的体积.

(1)证明 在三棱柱ABCA1B1C1中,BB1底面ABC.

因为AB平面ABC

所以BB1AB.

又因为ABBCBCBB1B

所以AB平面B1BCC1.

AB平面ABE

所以平面ABE平面B1BCC1.

(2)证明 方法一 如图1,取AB中点G,连接EGFG.

因为EF分别是A1C1BC的中点,

所以FGAC,且FGAC.

因为ACA1C1,且ACA1C1

所以FGEC1,且FGEC1

所以四边形FGEC1为平行四边形,

所以C1FEG.

又因为EG平面ABEC1F平面ABE

所以C1F平面ABE.

方法二 如图2,取AC的中点H,连接C1HFH.

因为HF分别是ACBC的中点,所以HFAB

又因为EH分别是A1C1AC的中点,

所以EC1AH,且EC1AH

所以四边形EAHC1为平行四边形,

所以C1HAE

C1HHFHAEABA

所以平面ABE平面C1HF

C1F平面C1HF

所以C1F平面ABE.

(3)解 因为AA1AC2BC1ABBC

所以AB==.

所以三棱锥EABC的体积

VSABC·AA1×××1×2.

思维升华 (1)平行问题的转化

利用线线平行、线面平行、面面平行的相互转化解决平行关系的判定问题时,一般遵循从低维高维的转化,即从线线平行线面平行,再到面面平行;而应用性质定理时,其顺序正好相反.在实际的解题过程中,判定定理和性质定理一般要相互结合,灵活运用.

(2)垂直问题的转化

在空间垂直关系中,线面垂直是核心,已知线面垂直,既可为证明线线垂直提供依据,又可为利用判定定理证明面面垂直作好铺垫.应用面面垂直的性质定理时,一般需作辅助线,基本作法是过其中一个平面内一点作交线的垂线,从而把面面垂直问题转化为线面垂直问题,进而可转化为线线垂直问题.

跟踪训练1 如图,在底面是矩形的四棱锥PABCD中,PA底面ABCD,点EF分别是PCPD的中点,PAAB1BC2.

(1)求证:EF平面PAB

(2)求证:平面PAD平面PDC.

证明 (1)A为坐标原点,AB所在直线为x轴,AD所在直线为y轴,AP所在直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Axyz,则A(00,0)B(1,0,0)C(1,2,0)D(0,2,0)P(0,0,1).

EF分别是PCPD的中点,

EF

=,=(1,0,0).

=-,

∴∥

EFAB

AB平面PABEF平面PAB

EF平面PAB.

(2)(1)可知,

(0,0,1),=(0,2,0),=(1,0,0)

·(0,0,1)·(1,0,0)0

·(0,2,0)·(1,0,0)0

∴⊥

APDCADDC.

APADAAPAD平面PAD

DC平面PAD.

DC平面PDC

平面PAD平面PDC.

题型二 立体几何中的计算问题

 

命题点1 求线面角

2 (2018·浙江)如图,已知多面体ABCA1B1C1A1AB1BC1C均垂直于平面ABCABC120°A1A4C1C1ABBCB1B2.

(1)证明:AB1平面A1B1C1

(2)求直线AC1与平面ABB1所成的角的正弦值.

方法一 (1)证明 由AB2AA14BB12AA1ABBB1AB,得AB1A1B12

所以A1BABAA

AB1A1B1.

BC2BB12CC11BB1BCCC1BC

B1C1.

ABBC2ABC120°,得AC2.

CC1AC,得AC1=,

所以ABB1CAC

AB1B1C1.

又因为A1B1B1C1B1A1B1B1C1平面A1B1C1

所以AB1平面A1B1C1.

(2)解 如图,过点C1C1DA1B1,交直线A1B1于点D,连接AD.

AB1平面A1B1C1

得平面A1B1C1平面ABB1.

C1DA1B1,平面A1B1C1平面ABB1A1B1C1D平面A1B1C1,得C1D平面ABB1.

所以C1AD即为AC1与平面ABB1所成的角.

B1C1=,A1B12A1C1=,

cosC1A1B1=,sinC1A1B1=,

所以C1D=,

sinC1AD==.

因此直线AC1与平面ABB1所成的角的正弦值是.

方法二 (1)证明 如图,以AC的中点O为原点,分别以射线OBOCxy轴的正半轴,建立空间直角坐标系Oxyz.

由题意知各点坐标如下:

A(0,-,0)B(1,0,0)A1(0,-,4)B1(1,0,2)C1(0,,1).

因此=(1,,2),=(1,,-2),=(0,2,-3).

·0,得AB1A1B1.

·0,得AB1A1C1.

A1B1A1C1A1A1B1A1C1平面A1B1C1

所以AB1平面A1B1C1.

(2) 设直线AC1与平面ABB1所成的角为θ.

(1)可知

(0,21),=(1,,0),=(0,0,2).

设平面ABB1的一个法向量为n(xyz).

由得

可取n(-,1,0).

所以sin θ|cos〈,n|==.

因此直线AC1与平面ABB1所成的角的正弦值是.

思维升华 (1)利用向量求直线与平面所成的角有两个思路:分别求出斜线和它在平面内的射影直线的方向向量,转化为求两个方向向量的夹角(或其补角)通过平面的法向量来求,即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐角,取其余角就是斜线和平面所成的角.

(2)若直线l与平面α的夹角为θ,直线l的方向向量l与平面α的法向量n的夹角为β,则θ=-βθβ-,故有sin θ|cos β|.

跟踪训练2 在直三棱柱ABCA1B1C1中,ABC为正三角形,点D在棱BC上,且CD3BD,点EF分别为棱ABBB1的中点.

(1)证明:A1C平面DEF

(2)A1CEF,求直线A1C1与平面DEF所成的角的正弦值.

解 (1)如图,连接AB1A1B交于点H

A1BEF于点K,连接DK

因为四边形ABB1A1为矩形,

所以H为线段A1B的中点.

因为点EF分别为棱ABBB1的中点,

所以点K为线段BH的中点,

所以A1K3BK.

CD3BD,所以A1CDK.

A1C平面DEFDK平面DEF

所以A1C平面DEF.

(2)连接CEEH,由(1)知,EHAA1

因为AA1平面ABC

所以EH平面ABC.

因为ABC为正三角形,且点E为棱AB的中点,

所以CEAB.

故以点E为坐标原点,分别以,,的方向为x轴、y轴、z轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系Exyz.

AB4AA1t(t>0)

E(0,0,0)A1(2t,0)A(2,0,0)C(0,0,2)

FD

所以=(2,-t,2),=.

因为A1CEF,所以·0

所以(2)×(2)t×2×00

所以t2

所以=(2,,0),=.

设平面DEF的一个法向量为n(xyz)

则所以

x1,则n(1,,).

又==(2,0,2)

设直线A1C1与平面DEF所成的角为θ

sin θ|cosn,〉|===,

所以直线A1C1与平面DEF所成的角的正弦值为.

命题点2 求二面角

3 (2018·呼和浩特联考)如图,在四棱锥ABCDE中,平面BCDE平面ABCBEECBC2AB4ABC60°.

(1)求证:BE平面ACE

(2)若直线CE与平面ABC所成的角为45°,求二面角EABC的余弦值.

(1)证明 ACB中,由余弦定理得cosABC==,

解得AC2

所以AC2BC2AB2,所以ACBC.

又因为平面BCDE平面ABC,平面BCDE平面ABCBCAC平面ABC

所以AC平面BCDE.

BE平面BCDE,所以ACBE.

BEECACCE平面ACE,且ACCEC

所以BE平面ACE.

(2)解 方法一 因为直线CE与平面ABC所成的角为45°,平面BCDE平面ABC,平面BCDE平面ABCBC

所以BCE45°,所以EBC为等腰直角三角形.

BC的中点F,连接EF,过点FFGAB于点G,连接EG

EGF为二面角EABC的平面角.

易得EFBF1FG.

RtEFG中,由勾股定理,得EG==,

所以cosEGF==,

所以二面角EABC的余弦值为.

方法二 因为直线CE与平面ABC所成的角为45°,平面BCDE平面ABC,平面BCDE平面ABCBC

所以BCE45°,所以EBC为等腰直角三角形.

BC的中点为O,连接OE,则OE平面ABC

O为坐标原点,分别以OBOE所在直线为x轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,

A(1,20)B(1,0,0)E(0,0,1)

所以=(2,20),=(1,0,1).

设平面ABE的法向量m(xyz)

则即

x=,则m(1)为平面ABE的一个法向量.

易知平面ABC的一个法向量为=(0,0,1)

所以cosm,〉===,

易知二面角EABC为锐角,

所以二面角EABC的余弦值为.

思维升华 (1)求二面角最常用的方法就是分别求出二面角的两个半平面所在平面的法向量,然后通过两个平面的法向量的夹角得到二面角的大小,但要注意结合实际图形判断所求角是锐角还是钝角.

(2)利用向量法求二面角的大小的关键是确定平面的法向量,求法向量的方法主要有两种:求平面的垂线的方向向量;利用法向量与平面内两个不共线向量的数量积为零,列方程组求解.

跟踪训练3 如图,四棱柱ABCDA1B1C1D1的底面ABCD是菱形,ACBDOA1O底面ABCDAB2AA13.

(1)证明:平面A1CO平面BB1D1D

(2)BAD60°,求二面角BOB1C的余弦值.

(1)证明 A1O平面ABCDBD平面ABCD

A1OBD.

四边形ABCD是菱形,COBD.

A1OCOOA1OCO平面A1CO

BD平面A1CO.

BD平面BB1D1D

平面A1CO平面BB1D1D.

(2)解 A1O平面ABCDCOBD

OBOCOA1两两垂直,

O为坐标原点,,,的方向为xyz轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系.

AB2AA13BAD60°

OBOD1OAOC=,OA1==.

O(0,0,0)B(1,0,0)C(0,,0)A(0,-,0)A1(00)

(1,0,0),==(0,,),=+=(1,,).

设平面OBB1的法向量为n(xyz)

则即

y=,得n(0,,-1),是平面OBB1的一个法向量.

同理可求得平面OCB1的一个法向量m(0,-1)

cosnm〉===.

由图可知二面角BOB1C是锐二面角,

二面角BOB1C的余弦值为.

题型三 立体几何中的探索性问题

4 如图,在四棱锥PABCD中,PA平面ABCDADBCADCD,且ADCD2BC4PA2.

(1)求证:ABPC

(2)在线段PD上,是否存在一点M,使得二面角MACD的大小为45°,如果存在,求BM与平面MAC所成角的正弦值,如果不存在,请说明理由.

(1)证明 如图,由已知得四边形ABCD是直角梯形,

ADCD2BC4,可得ABC是等腰直角三角形,即ABAC

因为PA平面ABCD,所以PAAB

PAACAPAAC平面PAC

所以AB平面PAC

所以ABPC.

(2)解 方法一 (几何法)过点MMNADAD于点N,则MNPA

因为PA平面ABCD,所以MN平面ABCD.

过点MMGACAC于点G,连接NG

MGN是二面角MACD的平面角.

MGN45°,则NGMN

ANNGMN

所以MN1,所以MNPAMNPA

所以MPD的中点.

在三棱锥MABC中,可得VMABCSABC·MN

设点B到平面MAC的距离是h

VBMACSMAC·h

所以SABC·MNSMAC·h,解得h2.

RtBMN中,可得BM3.

BM与平面MAC所成的角为θ

sin θ==.

方法二 (向量法)A为坐标原点,以过点A平行于CD的直线为x轴,ADAP所在直线分别为y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,

A(0,0,0)C(220)D(0,20)

P(0,0,2)B(2,-20),=(02,-2),=(220).

易知当点MP点或D点重合时不满足题意,

设=t(0<t<1)

则点M的坐标为(0,2t,22t)

所以=(0,2t,22t).

设平面MAC的法向量为n(xyz),则

则可取n.

m(0,0,1)是平面ACD的一个法向量,

所以|cosmn|==cos 45°=,

解得t=,即点M是线段PD的中点.

此时平面MAC的一个法向量可取n0(1,-1)

(231).

BM与平面MAC所成的角为θ

sin θ|cosn0,〉|.

思维升华 (1)对于线面关系中的存在性问题,首先假设存在,然后在该假设条件下,利用线面关系的相关定理、性质进行推理论证,寻找假设满足的条件,若满足则肯定假设,若得出矛盾的结论则否定假设.

(2)平面图形的翻折问题,关键是搞清翻折前后图形中线面位置关系和度量关系的变化情况.一般地,翻折后还在同一个平面上的性质不发生变化,不在同一个平面上的性质发生变化.

跟踪训练4 如图,在四棱锥PABCD中,底面ABCD是平行四边形,ABAC2AD2PB=,PBAC.

(1)求证:平面PAB平面PAC

(2)PBA45°,试判断棱PA上是否存在与点PA不重合的点E,使得直线CE与平面PBC所成角的正弦值为?若存在,求出的值;若不存在,请说明理由.

(1)证明 因为四边形ABCD是平行四边形,AD2

所以BCAD2

ABAC2

所以AB2AC2BC2,所以ACAB

PBACABPBBABPB平面PAB

所以AC平面PAB.

又因为AC平面PAC

所以平面PAB平面PAC.

(2)解 (1)ACABAC平面PAB

分别以ABAC所在直线为x轴,y轴,

平面PAB内过点A且与直线AB垂直的直线为z轴,建立空间直角坐标系Axyz

A(0,0,0)B(2,0,0)C(0,2,0)

(0,2,0) (2,2,0)

PBA45°PB=,可得P(1,0,1)

所以=(1,0,1),=(1,0,1)

假设棱PA上存在点E

使得直线CE与平面PBC所成角的正弦值为,

设=λ(0<λ<1)

则=λ(λ0λ),=-=(λ,-2λ)

设平面PBC的法向量n(xyz)

则即

z1,可得xy1

所以平面PBC的一个法向量n(1,1,1)

设直线CE与平面PBC所成的角为θ,则

sin θ |cosn,〉|

==,

解得λ=或λ().

所以在棱PA上存在点E,且=,

使得直线CE与平面PBC所成角的正弦值为.

1.在四棱锥PABCD中,底面ABCD为菱形,BAD60°PAPD.

(1)证明:BCPB

(2)PAPDPBAB,求二面角APBC的余弦值.

(1)证明 AD中点为E,连接PEBEBD

PAPDPEAD

底面ABCD为菱形,

BAD60°

∴△ABD为等边三角形,BEAD

PEBEEPEBE平面PBE

AD平面PBE

PB平面PBE

ADPB

ADBCBCPB.

(2)解 AB2

ADPB2BE=,

PAPDEAD中点,

PE1PE2BE2PB2

PEBE.

E为坐标原点,分别以EAEBEP所在直线为xyz轴建立如图所示的空间直角坐标系,

A(1,0,0)B(0,,0)P(0,0,1)C(2,,0)

(1,,0),=(1,0,1),=(0,-,1),=(2,0,0).

设平面PAB的法向量为n(xyz)

则即

y=,则n(3,,3).

同理可得平面PBC的一个法向量m(0,,3).

cosmn〉==.

设二面角APBC的平面角为θ,由图易知θ为钝角,

cos θ=-cosmn〉=-.

二面角APBC的余弦值为-.

2.(2019·大连模拟)如图,在三棱柱ABCA1B1C1中,ABCAA1C均是边长为2的等边三角形,点OAC中点,平面AA1C1C平面ABC.

(1)证明:A1O平面ABC

(2)求直线AB与平面A1BC1所成角的正弦值.

(1)证明 AA1A1C,且OAC的中点,

A1OAC

平面AA1C1C平面ABC,平面AA1C1C平面ABCACA1O平面AA1C1C

A1O平面ABC.

(2)解 如图,以O为原点,OBOCOA1所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系.

由已知可得O(0,0,0)A(0,-1,0)B(0,0)A1(0,0)C1(0,2)

(1,0),=(0,-),=(0,2,0)

设平面A1BC1的法向量为n(xyz)

则即

平面A1BC1的一个法向量为n(1,0,1)

设直线AB与平面A1BC1所成的角为α

sin α|cos〈,n|

cos〈,n〉===,

AB与平面A1BC1所成角的正弦值为.

3.(2019·抚顺诊断)如图1,在边长为5的菱形ABCD中,AC6,现沿对角线ACADC翻折到APC的位置得到四面体PABC,如图2所示.已知PB4.

(1)求证:平面PAC平面ABC

(2)Q是线段AP上的点,且=,求二面角QBCA的余弦值.

(1)证明 AC的中点O,连接POBO得到PBO.

四边形ABCD是菱形,PAPCPOAC.

DC5AC6OC3POOB4

PB4PO2OB2PB2

POOB.

OBACOOBAC平面ABCPO平面ABC.

PO平面PAC平面PAC平面ABC.

(2)解 ABBCBOAC.

易知OBOCOP两两垂直.

O为坐标原点,OBOCOP所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz.

B(4,0,0)C(0,3,0)P(0,0,4)A(0,-3,0).

设点Q(xyz).

由=,得Q.

(4,3,0),=.

n1(x1y1z1)为平面BCQ的法向量.

由得

解得取z115,则n1(3,4,15).

取平面ABC的一个法向量n2(0,0,1).

cosn1n2〉===,

由图可知二面角QBCA为锐角,

二面角QBCA的余弦值为.


 

4.(2019·包头模拟)如图,多面体ABCDEF中,ABCD为正方形,AB2AE3DE=,二面角EADC的余弦值为,且EFBD.

(1)证明:平面ABCD平面EDC

(2)求平面AEF与平面EDC所成锐二面角的余弦值.

(1)证明 ABAD2AE3DE=,

AD2DE2AE2

ADDE

又正方形ABCD中,ADDC,且DEDCDDEDC平面EDC

AD平面EDC

AD平面ABCD

平面ABCD平面EDC.

(2)解 (1)知,EDC是二面角EADC的平面角,

OECDO,则ODDE·cosEDC1OE2

平面ABCD平面EDC,平面ABCD平面EDCCDOE平面EDC

OE平面ABCD.

AB中点M,连接OM,则OMCD

如图,以O为原点,分别以OMOCOE所在直线为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,

A(2,-1,0)B(2,1,0)

D(0,-1,0)E(0,0,2)

(2,1,2)

(2,-2,0)

EFBD,知EF的一个方向向量为(2,2,0)

设平面AEF的法向量为n(xyz)

x=-2,得n(2,2,-3)

又平面EDC的一个法向量为m(1,0,0)

cosnm〉==-,

设平面AEF与平面EDC所成的锐二面角为θ

cos θ|cosnm|.

5.等边三角形ABC的边长为3,点DE分别是边ABAC上的点,且满足==,如图1.ADE沿DE折起到A1DE的位置,使二面角A1DEB为直二面角,连接A1BA1C,如图2.

(1)求证:A1D平面BCED

(2)在线段BC上是否存在点P,使直线PA1与平面A1BD所成的角为60°?若存在,求出PB的长;若不存在,请说明理由.

(1)证明 因为等边三角形ABC的边长为3

且==,所以AD1AE2.

ADE中,DAE60°,由余弦定理得

DE==.

从而AD2DE2AE2,所以ADDE.

折起后有A1DDE,因为二面角A1DEB是直二面角,

所以平面A1DE平面BCED

又平面A1DE平面BCEDDEA1DDEA1D平面A1DE

所以A1D平面BCED.

(2)解 存在.理由:由(1)可知EDDBA1D平面BCED.

D为坐标原点,分别以DBDEDA1所在直线为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Dxyz.

PB2a(02a3),作PHBD于点H

连接A1HA1P

BHaPHaDH2a.

所以A1(0,0,1)P(2aa,0)E(0,,0).

所以=(a2,-a,1).

因为ED平面A1BD

所以平面A1BD的一个法向量为=(0,,0).

要使直线PA1与平面A1BD所成的角为60°

sin 60°===,

解得a.此时2a=,满足02a3,符合题意.

所以在线段BC上存在点P,使直线PA1与平面A1BD所成的角为60°,此时PB.

6.如图,在四棱锥EABCD中,底面ABCD是圆内接四边形,CBCDCE1ABADAE=,ECBD.

 (1)求证:平面BED平面ABCD

(2)若点P在侧面ABE内运动,且DP平面BEC,求直线DP与平面ABE所成角的正弦值的最大值.

(1)证明 如图,连接AC,交BD于点O,连接EO

ADABCDCBACAC

∴△ADC≌△ABC

易得ADO≌△ABO

∴∠AODAOB90°

ACBD.

ECBDECACCECAC平面AEC

BD平面AEC

OE平面AECOEBD.

又底面ABCD是圆内接四边形,

∴∠ADCABC90°

RtADC中,由AD=,CD1

可得AC2AO=,

∴∠AEC90°,==,

易得AEO∽△ACE∴∠AOEAEC90°

EOAC.

ACBD平面ABCDACBDO

EO平面ABCD

EO平面BED平面BED平面ABCD.

(2)解 如图,取AE的中点MAB的中点N,连接MNNDDM

MNBE

(1)知,DACBAC30°

DAB60°

∴△ABD为正三角形,

DNAB

BCABDNCB平面ABCD

DNCB

MNDNNBEBCBMNDN平面DMNBEBC平面EBC

平面DMN平面EBC

P在线段MN.

O为坐标原点,OAOBOE所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,

ABE

MDN

=,=,

=,=,

设平面ABE的法向量为n(xyz)

则即

x1,则n(1,,)

设=λ(0λ1)

可得=+=,

设直线DP与平面ABE所成的角为θ

sin θ|cosn,〉|==,

0λ1λ0时,sin θ取得最大值.

故直线DP与平面ABE所成角的正弦值的最大值为.