1、空间向量与立体几何典型例题一、选择题:1(2008 全国卷理)已知三棱柱 的侧棱与底面边长都相等, 在底面1ABC1A内的射影为 的中心,则 与底面 所成角的正弦值等于( C )ABCA B C D32321.解:C由题意知三棱锥 为正四面体,设棱长为 ,则 ,棱柱的高1a13Ba(即点 到底面 的距离) ,故 与2221 6()33Oaa1A1AB底面 所成角的正弦值为 .AB1AOB另解:设 为空间向量的一组基底, 的两两间的夹角为1,C 1,BC06长度均为 ,平面 的法向量为 ,a13A1AB2116,3OABAB则 与底面 所成角的正弦值为 .1C123OA二、填空题:1(2008
2、全国卷理)等边三角形 与正方形 有一公共边 ,二面角BCDEAB的余弦值为 , 分别是 的中点,则 所成角的余CABD3MN, A, MN,弦值等于 61.答案: .设 ,作12COBE面 ,则 , 为二面角 的平面角OHABHCAD,结合等边三角形3,cos1CB与正方形 可知此四棱锥为正四棱锥,则DE 3NMH,1(),22NMAE1()ABC12故 所成角的余弦值E, 6N另解:以 为坐标原点,建立如图所示的直角坐标系,O则点 ,(1,0)(,1)(,0)(,2)ABEzyHoBDECNAx1 题图(2)oDECNA1 题图(1)MABDCOQMABDCOPx yzMABDCOP,121
3、2(,),()MN则 ,331,32AEANEME故 所成角的余弦值 .E, 6三、解答题:1 (2008 安徽文)如图,在四棱锥 中,底面 四边长为 1 的 菱形,OABCD, , , 为 的中点。4ABCO、2M()求异面直线 AB 与 MD 所成角的大小 ;()求点 B 到平面 OCD 的距离。1方法一(综合法)(1) D ,为异面直线 与 所成的角(或其补角)MC ABD作 连接AP、P O M2,4 =,2D 1cos, 3PMDCP所以 与 所成角的大小为AB() 点 A 和点 B 到平面 OCD 的距离相等,、 O,连接 OP,过点 A 作 于点 Q,,PCOP、 QCD、 又
4、,、 线段 AQ 的长就是点 A 到平面 OCD 的距离,2221324OD 2P,所以点 B 到平面 OCD 的距离为32PQ方法二(向量法)作 于点 P,如图,分别以 AB,AP,AO 所在直线为ACD ,xy轴建立坐标系,0,1,0)(,),(,0),(,2)(01)22ABPOQENMABDCOP(1)设 与 所成的角为 ,ABMD2(1,0)(,1), cos,3A 与 所成角的大小为 BD(2) 22(0,),(,)OP设平面 OCD 的法向量为 ,则 nxyz0,nOPDA即 022xyz取 ,解得z(,4)n设点 B 到平面 OCD 的距离为 ,则 为 在向量 上的投影的绝对值
5、,dOB(0,42)n, .(1,02)O 23n所以点 B 到平面 OCD 的距离为2 (2008 安徽理)如图,在四棱锥 中,底面 四边长为 1 的菱形,OABCD, , , 为 的中点, 为 的中点。4ACO、2MNBC()证明:直线 ;MN()求异面直线 AB 与 MD 所成角的大小; ()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,NECD、 A, 又 NONOCD M、(2) B,为异面直线 与 所成的角(或 M其补角)作 连接,APCD、P 2,4 =,2M NMAB DCOx yzNMABDCOP1cos,23DPMCMDP所以
6、与 所成角的大小为AB(3) 点 A 和点 B 到平面 OCD 的距离相等,连接 OP,过点 A 作、 O,于点 Q,P,OCOPQCD、 又 ,线段 AQ 的长就是点 A 到平面 OCD 的距离,、 ,2221324DDPAP,所以点 B 到平面 OCD 的距离为23OAPQ 23方法二(向量法)作 于点 P,如图,分别以 AB,AP,AO 所在直线为 轴建立坐标系CD,xyz,2220,(1,0)(),(,0),()(0,1)(,0)4ABPDOMN(1) 2,1,4MNO设平面 OCD 的法向量为 ,则()nxyznPDA即 202xyz取 ,解得2z(,4)n11(0,)MNAA OC
7、D、(2)设 与 所成的角为 ,B2(1,0)(1), 与 所成角的大小为cos,3AM AMD3(3)设点 B 到平面 OCD 的交流为 ,则 为 在向量 上的投影的绝对值,dOB(0,42)n由 , 得 .所以点 B 到平面 OCD 的距离为(1,02)O23n 33 (2008 北京文)如图,在三棱锥 P-ABC 中,AC=BC =2,ACB=90,AP=BP=AB,PC AC.()求证:PCAB;()求二面角 B-AP-C 的大小.3解法一:()取 AB 中点 D,连结 PD,CD.AP=BP,PDAB.AC=BC.CDAB .PDCDD.AB平面 PCD.PC 平面 PCD,PCAB
8、.()AC=BC,AP=BP,APCBPC.又 PCAC,PCBC.又ACB90,即 ACBC,且 ACPC=C,ABBP,BEAP.EC 是 BE 在平面 PAC 内的射影,CEAP.BEC 是二面角 B-AP-C 的平面角.在BCE 中,BCE=90,BC=2,BE = ,623ABsinBEC= .36EC二面角 B-AP-C 的大小为 aresin .解法二:()AC=BC,AP=BP,APCBPC.又 PCAC.PCBC.ACBC=C,PC平面 ABC.AB 平面 ABC,PCAB.()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) ,
9、B (2,0,0).设 P(0,0,t),PB=AB2 ,t=2,P (0,0,2).取 AP 中点 E,连结 BE,CE.AC=PC,AB=BP,CEAP,BE AP.BEC 是二面角 B-AP-C 的平面角.E(0,1,1), ),1,2(),1,0(EBcosBEC = .36二面角 B-AP-C 的大小为 arccos .4 (2008 北京理)如图,在三棱锥 中, , ,PABC290ACB, APBC()求证: ;A()求二面角 的大小;()求点 到平面 的距离4解法一:()取 中点 ,连结 BDPC,AP,C,平面 B平面 ,PDA() , ,CPB 又 ,B又 ,即 ,且 ,9
10、0ACP平面 A取 中点 连结 PE, P是 在平面 内的射影,C是二面角 的平面角BC在 中, , , ,E 902B36EAB6sin3二面角 的大小为 BAPC6arcsin3()由()知 平面 ,D平面 平面 过 作 ,垂足为 H平面 平面 ,ACBDPACBEPACBDPH平面 CHAPB的长即为点 到平面 的距离由()知 ,又 ,且 ,CABCA平面 平面 ,D在 中, , ,RtPC 1236PD 22CHA点 到平面 的距离为 AB3解法二:() , ,CPP 又 ,B,A平面 平面 ,CP()如图,以 为原点建立空间直角坐标系 Cxyz则 (0)(20)()B, , , ,
11、, , , ,设 t, ,BA, t()P, ,取 中点 ,连结 EC, ,CB, 是二面角 的平面角BA, , ,(01), , (01), , (21)E, ,3cos6ECB二面角 的大小为 AParcos() ,在平面 内的射影为正 的中心 ,且 的长为点 到平面 的距AP HCAPB离如()建立空间直角坐标系 Cxyz,2BHE点 的坐标为 23, , 23A C BP z xy HE点 到平面 的距离为 CAPB235 (2008 福建文) 如图,在四棱锥中,侧面 PAD底面 ABCD,侧棱 PA=PD= ,底面2ABCD 为直角梯形,其中 BCAD,ABCD,AD=2AB=2BC
12、=2,O 为 AD 中点。 (1)求证:PO平面 ABCD;(2)求异面直线 PB 与 CD 所成角的余弦值;(3)求点 A 到平面 PCD 的距离5.解:如图,A(0,-1,0),B(1,-1,0),C(1,0,0),D(0,1,0),P(0,0,1)所以 (1,0)(,1)CDPB63CDOS所以异面直线所成的角的余弦值为:(2)设平面 PCD 的法向量为 ,(,)nxyz(1,0)(1,0)PCD,所以 ;0nCPD令 x=1,则 y=z=1,所以 又(1,)(,)A则,点 A 到平面 PCD 的距离为: 23nd6(2008 福建理) 如图,在四棱锥 P-ABCD 中,则面 PAD底面
13、 ABCD,侧棱 PA=PD,底面 ABCD 为直角梯形,其中 BCAD ,ABAD,AD=2AB=2BC =2,O 为 AD 中点.2()求证:PO平面 ABCD;()求异面直线 PD 与 CD 所成角的大小;()线段 AD 上是否存在点 Q,使得它到平面 PCD 的距离为?若存在,求出 的值;若不存在,请说明理由.32AD6本小题主要考查直线与平面的位置关系、异面直线所成角、点到平面的距离等基本知识,考查空间想象能力、逻辑思维能力和运算能力.满分 12 分.解法一:()证明:在PAD 中 PA=PD,O 为 AD 中点,所以 POAD ,又侧面 PAD底面 ABCD,平面 平面 ABCD=
14、AD, PAD平面 PAD,PO所以 PO平面 ABCD.()连结 BO,在直角梯形 ABCD 中、BCAD ,AD =2AB=2BC,有 ODBC 且 OD=BC,所以四边形 OBCD 是平行四边形,所以 OBDC.由()知,POOB,PBO 为锐角,所以PBO 是异面直线 PB 与 CD 所成的角.因为 AD=2AB=2BC=2,在 RtAOB 中,AB=1,AO=1,所以 OB ,2在 Rt POA 中,因为 AP ,AO 1,所以 OP1,2在 Rt PBO 中,tan PBO 22,arctn.PGPBOBC所以异面直线 PB 与 CD 所成的角是 .arctn()假设存在点 Q,使
15、得它到平面 PCD 的距离为 .32设 QDx ,则 ,由()得 CD=OB= ,12DCSx在 Rt POC 中, 2,PO所以 PC=CD=DP, 3()4CDA由 Vp-DQC=VQ-PCD,得 2,所以存在点 Q 满足题意,此时 .13QD解法二:()同解法一.()以 O 为坐标原点, 的方向分别为 x 轴、 y 轴、 z 轴的正方向,建立空间直CDOP、 、角坐标系 O-xyz,依题意,易得 A(0,-1,0),B(1,-1,0),C(1,0,0),D(0,1,0),P(0,0,1),所以 101B ( , , ) , ( , , ) .所以异面直线 PB 与 CD 所成的角是 ar
16、ccos ,63()假设存在点 Q,使得它到平面 PCD 的距离为 ,2由()知 (1,0)(1,0).CPD设平面 PCD 的法向量为 n=(x0,y0,z0).则 所以 即 ,,nA0,0z取 x0=1,得平面 PCD 的一个法向量为 n=(1,1,1).设 由 ,得 解 y=-(,)1),(1,)QyCQy32CA13,2或 y= (舍去),25此时 ,所以存在点 Q 满足题意,此时 .3,2AD 13D7、(2008 海南、宁夏理)如图,已知点 P 在正方体 ABCDA 1B1C1D1的对角线 BD1上,PDA=60。(1)求 DP 与 CC1 所成角的大小;(2)求 DP 与平面 A
17、A1D1D 所成角的大小。7解:如图,以 为原点, 为单位长建立空间直角坐标系 DAxyz则 , (0)A, , (0)C, ,连结 , B在平面 中,延长 交 于 PBH设 ,(1)(Hm, ,由已知 ,60,由 cosDADA,可得 2解得 ,所以 21, ,()因为 ,012cos2DHC,所以 45,即 与 所成的角为 P()平面 的一个法向量是 A (01), ,因为 ,20cos 21DHC,所以 6,可得 与平面 所成的角为 PA38. (2008 湖北文)如图,在直三棱柱 中,平面 侧面1ABC1ABC1.()求证: ;()若 ,直线 AC 与平面 所成的角为 ,1Aa二面角
18、,.2的 大 小 为 求 证 :8.本小题主要考查线面关系、直线与平面所成角、二面角等有关知识,考查空间想象能力和推理论证能力.(满分 12 分)()证明:如右图,过点 A 在平面 A1ABB1 内作 ADA 1B 于 D,则由平面 A1BC侧面 A1ABB1,且平面 A1BC侧面 A1ABB1A 1B,得 AD平面A1BC.又 BC 平面 A1BC所以 ADBC.因为三棱柱 ABCA 1B1C1 是直三棱柱,则 AA1底面 ABC,所以 AA1BC .又 AA1AD =A,从而 BC侧面 A1ABB1,又 AB 侧面 A1ABB1,故 ABBC.B1C1D1A1CDA BPA BCDPxyzH