空间向量在立体几何中的应用.doc
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1、空间向量在立体几何中的应用【例1】已知三棱锥P-ABC中,PA面ABC,ABAC,PA=AC=AB,N为AB上一点,AB=4AN,M,S分别为PB,BC的中点.()证明:CMSN; ()求SN与平面CMN所成角的大小.证明:设PA=1,以A为原点,射线AB,AC,AP分别为x,y,z轴正向建立空间直角坐标系如图.则P(0,0,1),C(0,1,0),B(2,0,0),M(1,0,),N(,0,0),S(1,0) (),因为,所以CMSN (),设a=(x,y,z)为平面CMN的一个法向量,则 因为所以SN与片面CMN所成角为45 【例2】、如图,四棱锥SABCD中,底面ABCD,AB/DC,
2、,DC=SD=2,E为棱SB上的一点,平面EDC平面SBC.()证明:SE=2EB;()求二面角ADEC的大小.【解析】:以D为坐标原点 ,射线DA为轴正半轴, 建立如图所示的直角坐标系 设,则 () 设平面SBC的法向量为 由得 故 令 又设,则 设平面CDE的法向量 则,得 故 令 由平面DEC平面SBC得 故SE=2EB. ()由()知, 取DE中点E,则 故,由此得 又,故, 由此得, 向量与的夹角等于二面角ADEC的平面角. 于是 所以,二面角ADEC的大小为120. 【例3】如图,己知四棱锥P-ABCD的底面为等腰梯形,ABCD,BD垂足为H,PH是四棱锥的高,E为AD中点. ()
3、证明:PEBC()若=60,求直线PA与平面PEH所成角的正弦值.【解析】以H为原点,HA,HB,HP分别为x,y,z轴,线段HA的长为单位长,建立空间直角坐标系如图,则A(1,0,0),B(0,1,0) (I)设 则 可得 因为, 所以 (II)由已知条件可得故, 设为平面PEH的法向量, 则 即 因此,取 由 可得 所以直线PA与平面PEH所成角的正弦值为 【例4】如图,四棱锥SABCD的底面是正方形,SD平面ABCD,SD=2a,点E是SD上的点,且()求证:对任意的,都有()设二面角CAED的大小为,直线BE与平面ABCD所成的角为,若,求的值w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 【
4、解析】()()证法2:以D为原点,的方向分别作为x,y,z轴的正方向建立如图2所示的空间直角坐标系,则D(0,0,0),A(,0,0),B(,0),C(0,0),E(0,0),w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 即。(I) 解法2:由(I)得.设平面ACE的法向量为n=(x,y,z),则由得。易知平面ABCD与平面ADE的一个法向量分别为. w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 0,.由于,解得,即为所求。【例6】OSABCDE如图,在四棱锥中,底面是正方形,其他四个侧面都是等边三角形,与的交点为,为侧棱上一点()当为侧棱的中点时,求证:平面;()求证:平面平面;()当二面角的大小为时,
5、 试判断点在上的位置,并说明理由解法一:证明:()连接,由条件可得OSABCDE因为平面,平面,所以平面()由已知可得,,是中点,所以又因为四边形是正方形,所以因为,所以又因为,所以平面平面()解:连接,由()知而, 所以又所以是二面角的平面角,即OyzxSABCDE设四棱锥的底面边长为2,在中,, , 所以又因为, ,所以是等腰直角三角形由可知,点是的中点解法二:()同解法一()证明:由()知,建立如图所示的空间直角坐标系设四棱锥的底面边长为2,则,所以,设(),由已知可求得所以,设平面法向量为,则 即令,得易知是平面的法向量因为,所以,所以平面平面()解:设(),由()可知,平面法向量为因
6、为,所以是平面的一个法向量由已知二面角的大小为所以,所以,解得所以点是的中点【例7】如图,在四棱锥中,底面为矩形,侧棱底面,为的中点 ()求直线与所成角的余弦值;()在侧面内找一点,使面,并求出点到和的距离 【解析】:()建立如图所示的空间直角坐标系,则的坐标为、,从而设的夹角为,则与所成角的余弦值为 ()由于点在侧面内,故可设点坐标为,则,由面可得, 即点的坐标为,从而点到和的距离分别为 【例8】如图,四棱锥S-ABCD 的底面是正方形,每条侧棱的长都是地面边长的倍,P为侧棱SD上的点 ()求证:ACSD;w.w.w.k.s.5.u.c.o.m ()若SD平面PAC,求二面角P-AC-D的大
7、小()在()的条件下,侧棱SC上是否存在一点E,w使得BE平面PAC若存在,求SE:EC的值;若不存在,试说明理由解:()连接,设交与,由题意,平面,以为坐标原点,分别为轴,轴,轴正方向建立直角坐标系如图,设底面边长为,则于是,所以,从而() 由()知,平面的一个法向量平面的一个发向量,设所求二面角为,则,即二面角P-AC-D的大小是()在SC上存在一点E,使得BE平面PAC由()知,为平面的一个发向量,设,则,即当时,而不在平面内,所以BE平面PAC【例9】如图,在长方体中,、分别是棱,上的点,(1)求异面直线与所成角的余弦值;(2)证明平面(3)求二面角的正弦值解本小题主要考查异面直线所成
8、的角、直线与平面垂直、二面角等基础知识, 考查用空间向量解决立体几何问题的方法,考查空间想象能力、运算能力和推理论证能力,方法一:如图所示,建立空间直角坐标系, 点A为坐标原点,设,依题意得, , 解:易得, 于是 所以异面直线与所成角的余弦值为 证明:易知, 于是=0,=0.因此,又 所以平面 ()解:设平面的法向量,则,即 不妨令X=1,可得由(2)可知,为平面的一个法向量 于是,从而 所以二面角的正弦值为 【例10】如图5所示,在正方体ABCDA1B1C1D1中,E是棱DD1的中点.(I)求直线BE和平面ABB1A1所成角的正弦值;(II)在棱C1D1上是否存在一点F,使B1F/平面A1
9、BE?证明你的结论.【解析】解法1 设正方体的棱长为1,如图所示,以为单位正交基底建立空间直角坐标系. (I)依题意,得B(1,0,0),E(), A(0,0,0),D(0,1,0),所以 在正方体ABCDA1B1C1D1中,因为AD平面 ABB1A1,所以是平面ABB1A1的一个法向量, 设直线BE和平面ABB1A1所成的角为,则 即直线BE和平面ABB1A1所成的角的正弦值为 (II)依题意,得 设是平面A1BE的一个法向量,则由,得 所以取 设F是棱C1D上的点,则F(t,1,1) 又所以 D而平面A1BE,于是 B1F/平面A1BE 为C1D1的中点,这说明在棱C1D1上存在点F(C1
10、D1的中点),使B1F/平面A1BE. 【例11】在直三棱柱中,A1A=AB=3,AC=3,、Q分别为棱BB1、CC1上的点,且.(1)求平面APQ与面ABC所成的锐二面角的大小.(2)在线段A1B(不包括两端点)上是否存在一点M,使AM+MC1最小?若存在,求出最小值;若不存在,说明理由.【解析】:(1)建立如图所示空间直角坐标系AA(0,0,0),P(3,0,),Q(0,3,2).设平面APQ的一个法向量为令,则平面ABC的一个法向量平面APQ与面ABC所成的锐角大小为45. (1)问也用传统方法求解.(并参照计分)(2)沿A1B将面A1BC1与面A1BA展开,连结AC1与A1B交于点M,
11、此时AM+MC1有最小值.又C1A1面ABB1A1,C1A1A1B.AA1C1中,AA1C1=135AC1=存在点M,使AM+AC1取最小值为【例12】在各棱长均为2的三棱柱ABC-ABC中,侧面AACC底面ABC, AAC=60.()求侧棱AA与平面ABC所成角的正弦值;()已知点D满足,在直线AA上是否存在点P,使DP平面ABC?若存在,请确定点P的位置;若不存在,请说明理由.解解:侧面A1ACC1底面ABC,作A1OAC于点O,A1O平面ABC.又ABC=A1AC=60,且各棱长都相等,AO=1,OA1=OB=,BOAC.故以O为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系O-xyz,则A(0
12、,-1,0),B(,0,0),A1(0,0,),C(0,1,0),.设平面AB1C的法向量为n=(x,y,1)则解得n=(-1,0,1).由cos=而侧棱AA1与平面AB1C所成角,即是向量与平面AB1C的法向量所成锐角的余角,侧棱AA1与平面AB1C所成角的正弦值为()而又B(,0,0),点D的坐标为D(-,0,0).假设存在点P符合题意,则点P的坐标可设为P(0,y,z).DP平面AB1C,n=(-1,0,1)为平面AB1C的法向量,由,得又DP平面AB1C,故存在点P,使DP平面AB1C,其从标为(0,0,),即恰好为A1点.【例13】如图,在棱长为2的正方体ABCD -A1B1C1D1
13、中,E、F分别为AA1,和CC1的中点.(I)求证:EF平面ACD,;()求异面直线EF与AB所成的角;()在棱BB1上是否存在一点P,使得二面角P-AC-B的大小为30?若存在,求出BP的长;若不存在,请说明理由.【解析】本小题主要考查直线与直线、直线与平面的位置关系、二面角的概念等基础知识;考查空间想象能力逻辑思维能力和探索问题、解决问题的能力.满分12分. 解法一:如图分别以DA、DC、DD1所在的直线为x 轴、 y轴、z轴建立空间直角坐标系D-xyz,由已知 得D(0,0,0)、A(2,0,0)、B(2,2,0)、 C(0,2,0)、B1(2,2,2)、D1(0,0,2)、 E(1,0
14、,2 )、F(0,2,1). ()易知平面ACD1的一个法向量是 =(2,2,2). 又=(-1,2,-1), 由= -2+4-2=0, ,而EF平面ACD1, EF平面ACD1 () =(0,2,0),cos= 异面直线EF与AB所成的角为arccos. ()设点P(2,2,t)(0t2),平面ACP的一个法向量为=(x,y,z), 则 =(0,2,t), =(-2,2,0), 取. 易知平面ABC的一个法向量, 依题意知,=30或=150, |cos|= 即,解得 ,在棱BB1上存在一点P,当BP的长为时, 二面角P-AC-B的大小为30. 解法二:()同解法一知=(-1,2,-1) ,=
15、(-2,0,2), = (-2,2,0),-=, 、共面. 又EF平面ACD1,EF平面ACD1. 【例14】如图,在直三棱柱中,.C1B1A1BADC()若为中点,求证:平面平面;()在上是否存在一点,使得二面角的大小为60. 解解法二: ()如图,以为原点,所在直线为 轴建立空间直角坐标系. 则. 即 由得 由得 又 平面 又平面 平面平面 ()当时二面角的大小为60 设,则点坐标为, 设平面的法向量为 则由 令 得 又为平面的法向量 则由 解得,故. 在上存在一点满足题意 ABC111ACB【例15】如图,斜三棱柱,已知侧面与底面垂直且,若二面角为,(1)证明平面; (2)求与平面所成角
16、的正切值;(3)在平面内找一点,使三棱锥为正三棱锥,并求点到平面距离.解:(1) 面面,因为面面=,所以面. (2)取中点,连接,在中, 是正三角形,又面且面, ,即即为二面角的平面角为30, 面,在 中, 又面,即与面所成的线面角, 在中, (3)在上取点,使,则因为是的中线,是的重心,在中,过作ABC111ACB/交于, 面,/ 面,即点在平面上的射影是的中心,该点即为所求,且,. 【例16】如图,在长方体中,且(I)求证:对任意,总有;(II)若,求二面角的余弦值;(III)是否存在,使得在平面上的射影 平分?若存在, 求出的值, 若不存在,说明理由答案解:(I)以为坐标原点,分别以所在
17、直线为轴,轴,轴,建立空间直角坐标系,设,则,从而,即(分)(II)由()及得,设平面的法向量为,则,从而可取平面的法向量为,又取平面的法向量为,且设二面角为,所以(分)(III) 假设存在实数满足条件,由题结合图形,只需满足分别与所成的角相等,即 ,即,解得 所以存在满足题意得实数,使得在平面上的射影平分 (14分)ABCDEGF【例17】 如图,在六面体中,平面平面,平面,,且, ()求证: 平面; ()求二面角的余弦值; () 求五面体的体积答案 (本题满分13分) 解法一 向量法由已知,AD、DE、DG两两垂直,建立如图的坐标系,则A(0,0,2),B(2,0,2),C(0,1,2),
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- 关 键 词:
- 空间 向量 立体几何 中的 应用