2021年高考数学高考数学压轴题 立体几何多选题分类精编及解析
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2021年高考数学高考数学压轴题 立体几何多选题分类精编及解析
一、立体几何多选题
1.已知正方体1111 ABCD A B C D -的棱长为2,M 为1DD 的中点,N 为正方形ABCD 所在
平面内一动点,则下列命题正确的有( )
A .若2MN =,则MN 的中点的轨迹所围成图形的面积为π
B .若N 到直线1BB 与直线D
C 的距离相等,则N 的轨迹为抛物线
C .若1
D N 与AB 所成的角为3
π
,则N 的轨迹为双曲线 D .若MN 与平面ABCD 所成的角为3
π
,则N 的轨迹为椭圆
【答案】BC 【分析】
对于A ,连接MN ,ND ,DP ,得到直角MDN △,且P 为斜边MN 的中点,所以1PD =,进而得到P 点的轨迹为球面的一部分,即可判断选项A 错误;对于B ,可知1NB BB ⊥,即NB 是点N 到直线1BB 的距离,在平面ABCD 中,点N 到定点B 的距离与到定直线DC 的距离相等,利用抛物线定义知B 正确;对于C ,建立空间直角坐标系,设(,,0)N x y ,利用空间向量求夹角知122121
cos
3
2
24
D N AB y x y D N AB
π
⋅=
=
=
⨯++⋅,化简可知N 的轨迹为双曲线;对于D ,MN 与平面ABCD 所成的角为3
MND π
∠=
,3
ND =
,可知N 的轨迹是以D 为圆心,3
3
为半径的圆周; 【详解】
对于A ,如图所示,设P 为MN 的中点,连接MN ,ND ,DP ,由正方体性质知MDN △为直角三角形,且P 为MN 的中点,2MN =,根据直角三角形斜边上的中线为斜边的一半,知MDN △不管怎么变化,始终有1PD =,即P 点的轨迹与正方体的面围城的几何体是一个以D 为球心,1为半径的球的
18,其面积2
14182
S ππ=⨯⨯=,故A 错误;
对于B ,由正方体性质知,1BB ⊥平面ABCD 由线面垂直的性质定理知1NB BB ⊥,即NB 是点N 到直线1BB 的距离,在平面ABCD 中,点N 到定点B 的距离与到定直线DC 的距离相等,所以点N 的轨迹是以点B 为焦点,直线DC 为准线的抛物线,故B 正确; 对于C ,如图以D 为直角坐标系原点,建立空间直角坐标系,(,,0)N x y ,1(0,0,2)D ,
(0,2,0)A ,(2,2,0)B ,则1(,,2)D N x y =-,(0,2,0)AB =,利用空间向量求夹角知
122121
cos
3
2
24
D N AB y x y D N AB
π
⋅=
=
=
⨯++⋅,化简整理得:22
34y x -=,即22
1
44
3
y x -=,所以N 的轨迹为双曲线,故C 正确;
对于D ,由正方体性质知,MN 与平面ABCD 所成的角为MND ∠,即3
MND π
∠=,在直
角MDN △中,3ND =,即N 的轨迹是以D 3D 错误; 故选:BC 【点睛】
关键点睛:本题考查立体几何与解析几何的综合,解题的关键是抓住解析几何几种特殊曲线的定义,考查学生的逻辑推理能力,转化与划归能力与运算求解能力,属于难题.
2.在正三棱柱111ABC A B C -中,2AC =,11CC =,点D 为BC 中点,则以下结论正
确的是( ) A .1111
22
A D A
B A
C AA =
+- B .三棱锥11D AB C -的体积为
3
C .1AB BC ⊥且1//AB 平面11AC D
D .ABC 内到直线AC 、1BB 的距离相等的点的轨迹为抛物线的一部分 【答案】ABD 【分析】
A .根据空间向量的加减运算进行计算并判断;
B .根据1111D AB
C A DB C V V --=,然后计算出对应三棱锥的高A
D 和底面积11
DB C S
,由此求解出三棱锥的体积;C .先假设1AB BC ⊥,
然后推出矛盾;取AB 中点E ,根据四点共面判断1AB //平面11AC D 是否成立;D .将问题转化为“ABC 内到直线AC 和点B 的距离相等的点”的轨迹,然后利用抛物线的定义进行判断. 【详解】
A .()
11111111
222
A D A A AD AD AA A
B A
C AA AB AC AA =+=-=
+-=+-,故正确; B .1111D AB C A DB C V V --=,因为D 为BC 中点且AB AC =,所以AD BC ⊥, 又因为1BB ⊥平面ABC ,所以1BB AD ⊥且1BB BC B =,所以AD ⊥平面11DB C ,
又因为36322AD BD BC ==
=
,11
11112
22
DB C S BB B C =
⨯⨯=
, 所以1111
11
1
1623
3
3D AB C A DB C DB C V V AD S --==⨯⨯=⋅⋅=
,故正确;
C .假设1AB BC ⊥成立,又因为1BB ⊥平面ABC ,所以1BB BC ⊥且111BB AB B =,
所以BC ⊥平面1ABB ,所以BC AB ⊥,显然与几何体为正三棱柱矛盾,所以1AB BC ⊥不成立;
取AB 中点E ,连接11,,ED EA AB ,如下图所示:
因为,D E 为,BC AB 中点,所以//DE AC ,且11//AC A C ,所以11//DE AC ,所以
11,,,D E A C 四点共面,
又因为1A E 与1AB 相交,所以1AB //平面11AC D 显然不成立,故错误;
D .“ABC 内到直线AC 、1BB 的距离相等的点”即为“ABC 内到直线AC 和点B 的距离相等的点”,
根据抛物线的定义可知满足要求的点的轨迹为抛物线的一部分,故正确; 故选:ABD. 【点睛】
方法点睛:求解空间中三棱锥的体积的常用方法:
(1)公式法:直接得到三棱锥的高和底面积,然后用公式进行计算;
(2)等体积法:待求三棱锥的高和底面积不易求出,采用替换顶点位置的方法,使其求解高和底面积更容易,由此求解出三棱锥的体积.
3.已知图1中,A 、B 、C 、D 是正方形EFGH 各边的中点,分别沿着AB 、BC 、
CD 、DA 把ABF 、BCG 、CDH △、DAE △向上折起,使得每个三角形所在的平面都与平面ABCD 垂直,再顺次连接EFGH ,得到一个如图2所示的多面体,则( )
A .AEF 是正三角形
B .平面AEF ⊥平面CGH
C .直线CG 与平面AEF 2
D .当2AB =时,多面体ABCD EFGH -的体积为83
【答案】AC 【分析】
取CD 、AB 的中点O 、M ,连接OH 、OM ,证明出OH ⊥平面ABCD ,然后以点
O 为坐标原点,OM 、OC 、OH 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系,求
出EF ,可判断A 选项的正误,利用空间向量法可判断BC 选项的正误,利用几何体的体积公式可判断D 选项的正误. 【详解】
取CD 、AB 的中点O 、M ,连接OH 、OM , 在图1中,
A 、
B 、
C 、
D 是正方形EFGH 各边的中点,则
11
22
CH GH EH DH ===,
O 为CD 的中点,OH CD ∴⊥,
平面CDH ⊥平面ABCD ,平面CDH 平面ABCD CD =,OH ⊂平面CDH ,
OH ∴⊥平面ABCD ,
在图1中,设正方形EFGH 的边长为()220a a >,可得四边形ABCD 的边长为2a , 在图1中,ADE 和ABF 均为等腰直角三角形,可得45BAF DAE ∠=∠=, 90BAD ∴∠=,∴四边形ABCD 是边长为2a 的正方形,
O 、M 分别为CD 、AB 的中点,则//OC BM 且OC BM =,且90OCB ∠=,
所以,四边形OCBM 为矩形,所以,OM CD ⊥,
以点O 为坐标原点,OM 、OC 、OH 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系,
则()2,,0A a a -、()2,,0B a a 、()0,,0C a 、()0,,0D a -、(),,E a a a -、()2,0,F a a 、
(),,G a a a 、()0,0,H a .
对于A 选项,由空间中两点间的距离公式可得2AE AF EF a ===,
所以,AEF 是正三角形,A 选项正确;
对于B 选项,设平面AEF 的法向量为()111,,m x y z =,(),0,AE a a =-,
()0,,AF a a =,
由111100
m AE ax az m AF ay az ⎧⋅=-+=⎪
⎨
⋅=+=⎪⎩,取11z =,则11x =,11y =-,则()1,1,1m =-,
设平面CGH 的法向量为()222,,n x y z =,(),0,CG a a =,()0,,CH a a =-,
由222200n CG ax az n CH ay az ⎧⋅=+=⎪⎨⋅=-+=⎪⎩
,取21z =-,可得21x =,21y =-,则()1,1,1n =--,
()2
2111110m n ⋅=+--⨯=≠,所以,平面AEF 与平面CGH 不垂直,B 选项错误;
对于C 选项,6
cos ,23
CG m CG m a CG m
⋅<>=
=
=⨯⋅, 设直线CG 与平面AEF 所成角为θ,则sin 6θ=,23cos 1sin θθ=-=,
所以,sin tan 2cos θ
θθ
=
=,C 选项正确; 对于D 选项,以ABCD 为底面,以OH 为高将几何体ABCD EFGH -补成长方体
1111ABCD A B C D -,则E 、F 、G 、H 分别为11A D 、11A B 、11B C 、11C D 的中点,
因为2AB =,即1a =,则1OH =,长方体1111ABCD A B C D -的体积为2214V =⨯=,
11211111
113326
A A EF A EF V S AA -=⋅=⨯⨯⨯=△,
因此,多面体ABCD EFGH -的体积为1110
44463
ABCD EFGH A A EF V V V --=-=-⨯=, D 选项错误.
故选:AC. 【点睛】
方法点睛:计算线面角,一般有如下几种方法:
(1)利用面面垂直的性质定理,得到线面垂直,进而确定线面角的垂足,明确斜线在平面内的射影,即可确定线面角;
(2)在构成线面角的直角三角形中,可利用等体积法求解垂线段的长度h ,从而不必作出线面角,则线面角θ满足sin h
l
θ=
(l 为斜线段长),进而可求得线面角; (3)建立空间直角坐标系,利用向量法求解,设a 为直线l 的方向向量,n 为平面的法向量,则线面角θ的正弦值为sin cos ,a n θ=<>.
4.一副三角板由一块有一个内角为60°的直角三角形和一块等腰直角三角形组成,如图所示,090B F ∠=∠=,0
60,45,A D BC DE ∠=∠==,现将两块三角形板拼接在一起,得三棱锥F CAB -,取BC 中点O 与AC 中点M ,则下列判断中正确的是( )
A .BC FM ⊥
B .A
C 与平面MOF 3C .平面MOF 与平面AFB 所成的二面角的平面角为45°
D .设平面ABF 平面MOF l =,则有//l AB
【答案】AD 【分析】
证明BC ⊥面FOM 可判断A ;根据AC 与平面MOF 所成的角为060CMO ∠=判断B ;利用特殊位置判断C ;先证明//AB 面MOF ,由线面平行的性质定理可判断D ; 【详解】
由三角形中位线定理以及等腰三角形的性质可得,,BC OF BC OM OM OF O ⊥⊥=,
所以BC ⊥面FOM BC FM ⇒⊥,故A 正确;
因为BC ⊥面FOM ,所以AC 与平面MOF 所成的角为060CMO ∠=,所以余弦值为
1
2
,故B 错误;
对于C 选项可以考虑特殊位置法,由BC ⊥面FOM 得面ABC ⊥面FOM ,所以点F 在平面ABC 内的射影在直线OM 上,不妨设点F 平面ABC 内的射影为M ,过点M 作
//BC MN ,连结NF .易证AB ⊥面MNF ,则l ⊥面MNF ,所以MFN ∠为平面MOF
与平面AFB 所成的二面角的平面角,不妨设2AB =,因为060A
,所以
23BC =,则1
3,12
OF BC OM =
==,显然MFN ∠不等于45°,故C 错误. 设面MOF 与平面ABF 的交线为l ,又因为//,AB OM AB ⊄面MOF ,OM ⊂面
MOF ,所以//AB 面MOF ,由线面平行的性质定理可得://l AB ,故D 正确; 故选:AD.
【点睛】
方法点睛:求直线与平面所成的角有两种方法:一是传统法,证明线面垂直找到直线与平面所成的角,利用平面几何知识解答;二是利用空间向量,求出直线的方向向量以及平面的方向向量,利用空间向量夹角余弦公式求解即可.
5.如图,正方体1111ABCD A B C D -的棱长为3,线段11B D 上有两个动点,E F ,且
1EF =,以下结论正确的有( )
A .AC BE ⊥
B .异面直线,AE BF 所成的角为定值
C .点A 到平面BEF 的距离为定值
D .三棱锥A BEF -的体积是定值 【答案】ACD 【详解】
由AC BD ⊥,1AC DD ⊥可证AC ⊥平面11D DBB ,从而AC BE ⊥,故A 正确; 取特例,当E 与1D 重合时,F 是F ',AE 即1AD ,1AD 平行1BC ,异面直线,AE BF '所成的角是1C BF '∠,当F 与1B 重合时,E 是E ',BF 即1BB ,异面直线,AE BF '所成的角是1A AE '∠,可知1C BF '∠与1A AE '∠不相等,故异面直线,AE BF 所成的角不是定值,故B 错误;
连结BD 交AC 于O ,又AC ⊥平面11D DBB ,点A 到平面11BDD B 的距离是2AO ,也即点A 到平面BEF 的距离是
2
2
,故C 正确; 2
AO 为三棱锥A BEF -的高,又1111224BEF
S =⨯⨯=△,故三棱锥A BEF -的体积为1122
34224
⨯
⨯=
为定值,D 正确. 故选:ACD 【点睛】
求空间中点到平面的距离常见方法为: (1)定义法:直接作平面的垂线,求垂线;
(2)等体积法:不作垂线,通过等体积法间接求点到面的距离; (3)向量法:计算斜线在平面的法向量上的投影即可.
6.正方体1111ABCD A B C D -中,E 是棱1DD 的中点,F 在侧面11CDD C 上运动,且满足1//B F 平面1A BE .以下命题正确的有( )
A .侧面11CDD C 上存在点F ,使得11
B F CD ⊥ B .直线1B F 与直线B
C 所成角可能为30︒
C .平面1A BE 与平面11CD
D C 所成锐二面角的正切值为2
D .设正方体棱长为1,则过点
E ,
F ,A 5 【答案】AC 【分析】
取11C D 中点M ,1CC 中点N ,连接11,,B M B N MN ,易证得平面1//B MN 平面1A BE ,可得点F 的运动轨迹为线段MN .取MN 的中点F ,根据等腰三角形的性质得1B F MN ⊥,即有11B F CD ⊥,A 正确;当点F 与点M 或点N 重合时,直线1B F 与直线BC 所成角最大,可判断B 错误;根据平面1//B MN 平面1A BE ,11B FC ∠即为平面1B MN 与平面11CDD C 所成的锐二面角,计算可知C 正确;
【详解】
取11C D 中点M ,1CC 中点N ,连接11,,B M B N MN ,则易证得11//B N A E ,
1//MN A B ,从而平面1//B MN 平面1A BE ,所以点F 的运动轨迹为线段MN .
取MN 的中点F ,因为1B MN △是等腰三角形,所以1B F MN ⊥,又因为1//MN CD ,所以11B F CD ⊥,故A 正确;
设正方体的棱长为a ,当点F 与点M 或点N 重合时,直线1B F 与直线BC 所成角最大,此时11tan C B F ∠=
1tan 3023
︒<=,所以B 错误; 平面1//B MN 平面1A BE ,取F 为MN 的中点,则1MN C F ⊥,1MN B F ⊥,∴11B FC ∠即为平面1B MN 与平面11CDD C 所成的锐二面角,11
111tan B C B FC C F
∠==22C 正确;
因为当F 为1C E 与MN 的交点时,截面为菱形1AGC E (G 为1BB 的交点),面积为
6
2
D 错误.
故选:AC.
【点睛】
本题主要考查线面角,二面角,截面面积的求解,空间几何中的轨迹问题,意在考查学生的直观想象能力和数学运算能力,综合性较强,属于较难题.
7.(多选题)如图所示,正方体1111ABCD A B C D -中,1AB =,点P 在侧面11BCC B 及其边界上运动,并且总是保持1AP BD ⊥,则以下四个结论正确的是( )
A .113P AA D V -=
B .点P 必在线段1B
C 上
C .1AP BC ⊥
D .AP ∥平面11AC D 【答案】BD
【分析】
对于A ,1111111113326
P AA D AA D V S CD -=⋅=⨯⨯⨯⨯=, 对于B,C,D ,如图以D 为坐标原点可建立空间直角坐标系,利用空间向量判即可.
【详解】
对于A ,因为点P 在平面11BCC B ,平面11BCC B ∥平面1AA D ,
所以点P 到平面1AA D 即为C 到平面1AA D 的距离,即为正方体棱长, 所以1111111113326
P AA D AA D V S CD -=⋅=⨯⨯⨯⨯=,A 错误; 对于B ,以D 为坐标原点可建立如下图所示的空间直角坐标系:
则11(1,0,0),(,1,),(1,1,0),(0,0,1),(1,1,1),(0,1,0)A P x z B D B C
所以11(1,1,),(1,1,1),(1
,0,1)AP x z BD BC =-=--=--, 因为1AP BD ⊥,
所以1110AP BD x z ⋅=--+=,所以x z =,即(,1,)P x x ,
所以(,0,)CP x x =,
所以1
CP xBC =-,即1,,B C P 三点共线, 所以点P 必在线段1B C 上,B 正确;
对于C ,因为1(1,1,),(1,0,1)AP x x BC =-=-,
所以111AP BC x x ⋅=-+=,
所以1AP BC ⊥不成立,C 错误;
对于D ,因为11(1,0,1),(0,1,1),(0,0,0)A C D ,
所以11(1
,0,1),(0,1,1)DA DC ==, 设平面11AC D 的法向量为(,,)n x y z =,则1100n DA x z n DC y z ⎧⋅=+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩
, 令1x =,则1,1z y =-=,所以(1,1,1)n =-,
所以110AP n x x ⋅=-+-=,所以AP n ⊥,
所以AP ∥平面11AC D ,D 正确,
故选:BD
【点睛】
此题考查了空间线线垂直的判定,线面平行的判定,三棱锥的体积,考查空间想象能力,考查计算能力,属于较难题.
8.(多选题)在四面体P ABC -中,以上说法正确的有( )
A .若1233
AD AC AB =+,则可知3BC BD = B .若Q 为△ABC 的重心,则111333PQ PA PB PC =++
C .若0PA BC =,0PC AB =,则0PB AC =
D .若四面体P ABC -各棱长都为2,M N ,分别为,PA BC 的中点,则1MN = 【答案】ABC
【分析】
作出四面体P ABC -直观图,在每个三角形中利用向量的线性运算可得. 【详解】
对于A ,1233
AD AC AB =+,32AD AC AB ∴=+,22AD AB AC AD ∴-=- , 2BD DC ∴=,3BD BD DC BC ∴=+=即3BD BC ∴=,故A 正确;
对于B ,Q 为△ABC 的重心,则0QA QB QC ++=,
33PQ QA QB QC PQ ∴+++=()()()3PQ QA PQ QB PQ QC PQ ∴+++++=,3PA PB PC PQ ∴++=
即111333
PQ PA PB PC ∴=++,故B 正确; 对于C ,若0PA BC =,0PC AB =,则0PA BC PC AB +=,
()0PA BC PC AC CB ∴++=,0PA BC PC AC PC CB ∴++=
0PA BC PC AC PC BC ∴+-=,()0PA PC BC PC AC ∴-+=
0CA BC PC AC ∴+=,0AC CB PC AC ∴+=
()0AC PC CB ∴+=,0AC PB ∴=,故C 正确;
对于D ,111()()222MN PN PM PB PC PA PB PC PA ∴=-=+-=+- 1122
MN PB PC PA PA PB PC ∴=+-=-- 222222PA PB PC PA PB PC PA PB PA PC PC PB --=++--+
22211122222222222222222
=++-⨯⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯= 2MN ∴=,故D 错误.
故选:ABC
【点睛】
用已知向量表示某一向量的三个关键点
(1)用已知向量来表示某一向量,一定要结合图形,以图形为指导是解题的关键.
(2)要正确理解向量加法、减法与数乘运算的几何意义,如首尾相接的若干向量之和,等于由起始向量的始点指向末尾向量的终点的向量.
(3)在立体几何中三角形法则、平行四边形法则仍然成立.
9.在正方体1111ABCD A B C D -中,如图,,M N 分别是正方形ABCD ,11BCC B 的中心.则下列结论正确的是( )
A .平面1D MN 与11
B
C 的交点是11B C 的中点
B .平面1D MN 与B
C 的交点是BC 的三点分点
C .平面1
D MN 与AD 的交点是AD 的三等分点
D .平面1D MN 将正方体分成两部分的体积比为1∶1
【答案】BC
【分析】
取BC 的中点E ,延长DE ,1D N ,并交于点F ,连FM 并延长分别交,BC AD 于,P Q ,连1,D Q PN 并延长交11B C 与H ,平面四边形1D HPQ 为所求的截面,进而求出,,P Q H 在各边的位置,利用割补法求出多面体11QPHD C CD 的体积,即可求出结论.
【详解】
如图,取BC 的中点E ,延长DE ,1D N ,并交于点F ,
连接FM 并延长,设FM BC P ⋂=,FM AD Q ⋂=,
连接PN 并延长交11B C 于点H .连接1D Q ,1D H ,
则平面四边形1D HPQ 就是平面1D MN 与正方体的截面,如图所示.
111111////,22
NE CC DD NE CC DD ==, NE ∴为1DD F ∆的中位线,E ∴为DF 中点,连BF ,
,,90DCE FBE BF DC AB FBE DCE ∴∆≅∆==∠=∠=︒,
,,A B F ∴三点共线,取AB 中点S ,连MS , 则12//,,23
BP FB MS BP MS BC MS FS =∴==, 22111,33236
BP MS BC BC PE BC ∴==⨯=∴=, E 为DF 中点,11//,233
PE DQ DQ PE BC AD ∴=== N 分别是正方形11BCC B 的中心,11113C H BP C B ∴==
所以点P 是线段BC 靠近点B 的三等分点,
点Q 是线段AD 靠近点D 的三等分点,
点H 是线段11B C 靠近点1C 的三等分点.
做出线段BC 的另一个三等分点P ',
做出线段11A D 靠近1D 的三等分点G ,
连接QP ',HP ',QG ,GH ,1H QPP Q GHD V V '--=, 所以111113
QPHD C CD QPHQ DCC D V V V -==多面体长方体正方体
从而平面1D MN 将正方体分成两部分体积比为2∶1.
故选:BC.
【点睛】
本题考查直线与平面的交点及多面体的体积,确定出平面与正方体的交线是解题的关键,考查直观想象、逻辑推理能力,属于较难题.
10.如果一个棱锥的底面是正方形,且顶点在底面内的射影是底面的中心,那么这样的棱锥叫正四棱锥.若一正四棱锥的体积为18,则该正四棱锥的侧面积最小时,以下结论正确的是( ).
A .棱的高与底边长的比为22
B .侧棱与底面所成的角为4π
C .棱锥的高与底面边长的比为2
D .侧棱与底面所成的角为3
π 【答案】AB
【分析】 设四棱锥S ABCD -的高为h ,底面边长为a ,由21183V a h =
=得254h a =,然后可得侧面积为2
42108a a
+,运用导数可求出当32a =时侧面积取得最小值,此时3h =,然后求出棱锥的高与底面边长的比和SAO ∠即可选出答案.
【详解】
设四棱锥S ABCD -的高为h ,底面边长为a
可得21183V a h ==,即254h a
=
所以其侧面积为1422⋅⋅==令()24
2108f a a a =+,则()2
3321084f a a a ⨯'=-
令()2
3
3210840f a a a ⨯'=-=得a =
当(
a ∈时()0f a '<,()f a 单调递减
当()
a ∈+∞时()0f a '>,()f a 单调递增
所以当a =时()f a 取得最小值,即四棱锥的侧面积最小
此时3h =
所以棱锥的高与底面边长的比为2
,故A 正确,C 错误
侧棱与底面所成的角为SAO ∠,由3h =,a =可得3AO = 所以4SAO π∠=
,故B 正确,D 错误 故选:AB
【点睛】
本题考查的知识点有空间几何体的体积和表面积、线面角及利用导数求最值,属于综合题.。