高三文科数学立体几何平行垂直问题专题复习(含答案)
立体几何线面平行垂直、面面平行垂直专题练习(高三党必做)
立体几何线面平行垂直、面面平行垂直专题一、解答题（本大题共27小题，共324.0分）1.如图，四棱锥P-ABCD中，PA⊥底面ABCD，AD∥BC，AB=AD=AC=3，PA=BC=4，M为线段AD上一点，AM=2MD，N为PC的中点．（1）证明：MN∥平面PAB；（2）求直线AN与平面PMN所成角的正弦值．2.如图，四棱锥P-ABCD中，侧面PAD为等边三角形且垂直于底面ABCD，AB＝AD，∠BAD＝∠ABC＝90°，E是PD的中点．BC＝12(1)证明：直线CE∥平面PAB；(2)点M在棱PC上，且直线BM与底面ABCD所成角为45°，求二面角M-AB-D的余弦值．3.如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，BB1⊥平面ABC，∠BAC=90°，AC=AB=AA1，E是BC的中点．（1）求证：AE⊥B1C；（2）求异面直线AE与A1C所成的角的大小；（3）若G为C1C中点，求二面角C-AG-E的正切值．4.如图所示，在四棱锥P-ABCD中，底面四边形ABCD是菱形，AC∩BD=O，△PAC是边长为2的等边三角形，PB=PD=√6，AP=4AF．（Ⅰ）求证：PO⊥底面ABCD；（Ⅱ）求直线CP与平面BDF所成角的大小；（Ⅲ）在线段PB上是否存在一点M，使得CM∥平面BDF如果存在，求BM的值，如果不存在，请说明理BP由．5.如图，在直三棱柱ABC-A1B l C1中，AC=BC=√2，∠ACB=90°．AA1=2，D为AB的中点．（Ⅰ）求证：AC⊥BC1；（Ⅱ）求证：AC1∥平面B1CD：（Ⅲ）求异面直线AC1与B1C所成角的余弦值．6.如图，正三棱柱ABC-A1B1C1中，AB=AA1=2，点P，Q分别为A1B1，BC的中点．（1）求异面直线BP与AC1所成角的余弦值；（2）求直线CC1与平面AQC1所成角的正弦值．7.如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为正方形，平面PAD⊥平面ABCD，点M在线段PB上，PD∥平面MAC，PA=PD=√6，AB=4．（1）求证：M为PB的中点；（2）求二面角B-PD-A的大小；（3）求直线MC与平面BDP所成角的正弦值．8.如图，四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，PA⊥平面ABCD，E为PD的中点．（1）证明：PB∥平面AEC；（2）设AP=1，AD=√3，三棱锥P-ABD的体积V=√3，求A到平面PBC的距4离．9.如图，在四棱锥P-ABCD中，PA⊥底面ABCD，AD⊥AB，AB∥DC，AD＝DC＝AP＝2，AB＝1，点E为棱PC的中点．（Ⅰ）证明：BE⊥DC；（Ⅱ）求直线BE与平面PBD所成角的正弦值；（Ⅲ）若F为棱PC上一点，满足BF⊥AC，求二面角F-AB-P的余弦值．10.如图，已知四棱锥P-ABCD，△PAD是以AD为斜边的等腰直角三角形，BC∥AD，CD⊥AD，PC=AD=2DC=2CB，E为PD的中点．（Ⅰ）证明：CE∥平面PAB；（Ⅱ）求直线CE与平面PBC所成角的正弦值．11.如图，正三角形ABE与菱形ABCD所在的平面互相垂直，AB=2，∠ABC=60°，M是AB的中点，N是CE的中点．（I）求证：EM⊥AD；（II）求证：MN∥平面ADE；（III）求点A到平面BCE的距离．12.已知几何体ABCDEF中，AB∥CD，AD⊥DC，EA⊥平面ABCD，FC∥EA，AB=AD=EA=1，CD=CF=2．（Ⅰ）求证：平面EBD⊥平面BCF；（Ⅱ）求点B到平面ECD的距离．13.如图，四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，PD⊥底面ABCD，AD=PD=2，E、F分别为CD、PB的中点．（1）求证：EF∥平面PAD；（2）求证：平面AEF⊥平面PAB；（3）设AB=√2AD，求直线AC与平面AEF所成角θ的正弦值．14.如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是平行四边形，∠ADC=45∘，AD=AC=2，O为AC的中点，PO⊥平面ABCD且PO=6，M为BD的中点．(1)证明：AD⊥平面PAC；(2)求直线AM与平面ABCD所成角的正切值．15.如图，正三棱柱ABC-A1B1C1中，AB=2，AA1=√2，点D为A1C1的中点．（I）求证：BC1∥平面AB1D；（II）求证：A1C⊥平面AB1D；（Ⅲ）求异面直线AD与BC1所成角的大小．16.如图，P-ABD和Q-BCD为两个全等的正棱锥，且A，B，C，D四点共面，其中AB=1，∠APB=90°．（Ⅰ）求证：BD⊥平面APQ；（Ⅱ）求直线PB与平面PDQ所成角的正弦值．17.如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，平面A1ACC1⊥底面ABC，AB=BC=2，∠ACB=30°，∠C1CB=60°，BC1⊥A1C，E为AC的中点，侧棱CC1=2．（1）求证：A1C⊥平面C1EB；（2）求直线CC1与平面ABC所成角的余弦值．18.如图，在三棱锥P-ABC中，平面PAB⊥平面ABC，AB=6，BC=2√3，AC=2√6，D为线段AB上的点，且AD=2DB，PD⊥AC．（1）求证：PD⊥平面ABC；，求点B到平面PAC的距离．（2）若∠PAB=π419.如图，三棱柱ABC-A1B1C1中，A1A⊥平面ABC，△ABC为正三角形，D是BC边的中点，AA1=AB=1．（1）求证：平面ADB1⊥平面BB1C1C；（2）求点B到平面ADB1的距离．20.如图，在三棱锥P-ABC中，点D，E，F分别为棱PC，AC，AB的中点，已知PA⊥平面ABC，AB⊥BC，且AB=BC．（1）求证：平面BED⊥平面PAC；（2）求二面角F-DE-B的大小；（3）若PA=6，DF=5，求PC与平面PAB所成角的正切值．21.如图,在四棱锥P—ABCD中,PD⊥平面ABCD,AD⊥CD,DB平分∠ADC,E为PC的中点,AD＝CD＝1,DB=2√2.(1)证明PA∥平面BDE;(2)证明AC⊥平面PBD;(3)求直线BC与平面PBD所成的角的正切值.22.如图所示，在四棱台ABCD-A1B1C1D1中，AA1⊥底面ABCD，四边形ABCD为菱形，∠BAD=120°，AB=AA1=2A1B1=2．（Ⅰ）若M为CD中点，求证：AM⊥平面AA1B1B；（Ⅱ）求直线DD1与平面A1BD所成角的正弦值．=√2.23.如图，在直三棱柱ABC−A1B1C1中，∠ACB=90°，E为A1C1的中点，CC1C1E（Ⅰ）证明：CE⊥平面AB1C1；（Ⅱ）若AA1=√6，∠BAC=30°，求点E到平面AB1C的距离．24.如图，在四棱锥E-ABCD中，底面ABCD是边长为√2的正方形，平面AEC⊥平面CDE，∠AEC=90°，F为DE中点，且DE=1．（Ⅰ）求证：BE∥平面ACF；（Ⅱ）求证：CD⊥DE；（Ⅲ）求FC与平面ABCD所成角的正弦值．25.已知：平行四边形ABCD中，∠DAB=45°，AB=√2AD=2√2，平面AED⊥平面ABCD，△AED为等边三角形，EF∥AB，EF=√2，M为线段BC的中点．（1）求证：直线MF∥平面BED；（2）求证：平面BED⊥平面EAD；（3）求直线BF与平面BED所成角的正弦值．26.如图，在四棱锥P-ABCD中，侧面PAD⊥底面ABCD，侧棱PA=PD=√2，底面ABCD为直角梯形，其中BC∥AD，AB⊥AD，AC=√2，AB=BC=1，E为AD中点．（Ⅰ）求证：PE⊥平面ABCD；（Ⅱ）求异面直线PB与CD所成角的余弦值；（Ⅲ）求平面PAB与平面PCD所成的二面角．27.如图，已知多面体ABCA1B1C1，A1A，B1B，C1C均垂直于平面ABC，∠ABC=120°，A1A=4，C1C=1，AB=BC=B1B=2．（1）证明：AB1⊥平面A1B1C1；（2）求直线AC1与平面ABB1所成的角的正弦值．答案和解析1.【答案】（1）证明：法一、如图，取PB 中点G ，连接AG ，NG ，∵N 为PC 的中点， ∴NG ∥BC ，且NG =12BC ，又AM =23AD =2，BC =4，且AD ∥BC ， ∴AM ∥BC ，且AM =12BC ，则NG ∥AM ，且NG =AM ，∴四边形AMNG 为平行四边形，则NM ∥AG ， ∵AG ⊂平面PAB ，NM ⊄平面PAB ， ∴MN ∥平面PAB ； 法二、在△PAC 中，过N 作NE ⊥AC ，垂足为E ，连接ME ， 在△ABC 中，由已知AB =AC =3，BC =4，得cos ∠ACB =42+32−322×4×3=23，∵AD ∥BC ，∴cos ∠EAM =23，则sin ∠EAM =√53，在△EAM 中，∵AM =23AD =2，AE =12AC =32，由余弦定理得：EM =√AE 2+AM 2−2AE ⋅AM ⋅cos∠EAM =√94+4−2×32×2×23=32，∴cos ∠AEM =(32)2+(32)2−42×32×32=19，而在△ABC 中，cos ∠BAC =32+32−422×3×3=19，∴cos ∠AEM =cos ∠BAC ，即∠AEM =∠BAC ， ∴AB ∥EM ，则EM ∥平面PAB ．由PA ⊥底面ABCD ，得PA ⊥AC ，又NE ⊥AC ， ∴NE ∥PA ，则NE ∥平面PAB ． ∵NE ∩EM =E ，∴平面NEM ∥平面PAB ，则MN ∥平面PAB ；（2）解：在△AMC 中，由AM =2，AC =3，cos ∠MAC =23，得CM 2=AC 2+AM 2-2AC •AM •cos ∠MAC =9+4−2×3×2×23=5．∴AM 2+MC 2=AC 2，则AM ⊥MC ， ∵PA ⊥底面ABCD ，PA ⊂平面PAD ，∴平面ABCD ⊥平面PAD ，且平面ABCD ∩平面PAD =AD ， ∴CM ⊥平面PAD ，则平面PNM ⊥平面PAD ．在平面PAD 内，过A 作AF ⊥PM ，交PM 于F ，连接NF ，则∠ANF 为直线AN 与平面PMN 所成角．在Rt△PAC中，由N是PC的中点，得AN=12PC=12√PA2+PC2=52，在Rt△PAM中，由PA•AM=PM•AF，得AF=PA⋅AMPM =√42+22=4√55，∴sin∠ANF=AFAN =4√5552=8√525．∴直线AN与平面PMN所成角的正弦值为8√525．【解析】本题考查直线与平面平行的判定，考查直线与平面所成角的求法，考查数学转化思想方法，考查了空间想象能力和计算能力，是中档题．（1）法一、取PB中点G，连接AG，NG，由三角形的中位线定理可得NG∥BC，且NG=12BC，再由已知得AM∥BC，且AM=12BC，得到NG∥AM，且NG=AM，说明四边形AMNG为平行四边形，可得NM∥AG，由线面平行的判定得到MN∥平面PAB；法二、证明MN∥平面PAB，转化为证明平面NEM∥平面PAB，在△PAC中，过N作NE⊥AC，垂足为E，连接ME，由已知PA⊥底面ABCD，可得PA∥NE，通过求解直角三角形得到ME∥AB，由面面平行的判定可得平面NEM∥平面PAB，则结论得证；（2）由勾股定理得CM⊥AD，进一步得到平面PNM⊥平面PAD，在平面PAD内，过A作AF⊥PM，交PM于F，连接NF，则∠ANF为直线AN与平面PMN所成角．然后求解直角三角形可得直线AN与平面PMN所成角的正弦值．2.【答案】（1）证明：取PA的中点F，连接EF，BF，因为E是PD的中点，所以EF∥AD，EF=12AD，AB=BC=12AD，∠BAD=∠ABC=90°，∴BC∥AD，EF∥BC,EF=BC,∴四边形BCEF是平行四边形，可得CE∥BF，BF⊂平面PAB，CE⊄平面PAB，∴直线CE∥平面PAB;（2）解:如图所示，取AD中点O，连接PO，CO，由于△PAD为正三角形，则PO⊥AD，因为侧面PAD为等边三角形且垂直于底面ABCD，平面PAD∩平面ABCD=AD，所以PO⊥平面ABCD，所以PO⊥CO. 因为AO=AB=BC=12AD，且∠BAD=∠ABC= 90∘，所以四边形ABCO是矩形，所以CO⊥AD，以O为原点，OC为x轴，OD为y轴，OP为z轴建立空间直角坐标系,不妨设AB=BC=12AD=1，则OA=OD=AB=CO=1.又因为△POC为直角三角形，|OC|=√33|OP|，所以∠PCO=60∘.作MN⊥CO，垂足为N，连接BN，因为PO ⊥CO ，所以MN //PO ，且PO ⊥平面ABCD ，所以MN ⊥平面ABCD ，所以∠MBN 即为直线BM 与平面ABCD 所成的角, 设CN =t ，因为∠PCO =60∘，所以MN =√3t ，BN =√BC 2+CN 2=√t 2+1. 因为∠MBN =45∘，所以MN =BN ，即√3t =√t 2+1，解得t =√22，所以ON =1−√22，MN =√62，所以A (0,−1,0)，B (1,−1,0)，M (1−√22,0,√62)，D (0,1,0)，则AB ⃗⃗⃗⃗⃗ =(1,0,0)，AD⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(0,2,0)，AM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(1−√22,1,√62). 设平面MAB 和平面DAB 的法向量分别为n 1⃗⃗⃗⃗ =(x 1,y 1,z 1)，n 2⃗⃗⃗⃗ =(x 2,y 2,z 2), 则{AB ⃗⃗⃗⃗⃗ ·n 1⃗⃗⃗⃗ =0AM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ·n 1⃗⃗⃗⃗ =0，即{x 1=0(1−√22)x 1+y 1+√62z 1=0， 可取z 1=−2，则n 1⃗⃗⃗⃗ =(0,√6,−2), 同理可得n 2⃗⃗⃗⃗ =(0,0,1)，所以.因为二面角M -AB -D 是锐角，所以其余弦值为√105.【解析】本题考查直线与平面平行的判定定理的应用，空间向量求二面角夹角，考查空间想象能力以及计算能力，属于中档题．（1）取PA 的中点F ，连接EF ，BF ，通过证明CE ∥BF ，利用直线与平面平行的判定定理证明即可．（2）取AD 中点O ，连接PO ，CO ，作MN ⊥CO ，垂足为N ，以O 为原点，OC 为x 轴，OD 为y 轴，OP 为z 轴建立空间直角坐标系，即可求出二面角M -AB -D 的余弦值．3.【答案】证明：（1）因为BB 1⊥面ABC ，AE ⊂面ABC ，所以AE ⊥BB 1,由AB =AC ，E 为BC 的中点得到AE ⊥BC , ∵BC ∩BB 1=B ，BC 、BB 1⊂面BB 1C 1C ， ∴AE ⊥面BB 1C 1C ，,∴AE ⊥B 1C ；解：（2）取B 1C 1的中点E 1，连A 1E 1，E 1C ，则AE ∥A 1E 1， ∴∠E 1A 1C 是异面直线AE 与A 1C 所成的角， 设AC =AB =AA 1=2，则由∠BAC =90°， 可得A 1E 1=AE =√2，A 1C =2√2，E 1C 1=EC =12BC =√2，∴E 1C =√E 1C 12+C 1C 2=√6，∵在△E 1A 1C 中，cos ∠E 1A 1C =2+8−62⋅√2⋅2√2=12， 所以异面直线AE 与A 1C 所成的角为π3；（3）连接AG ，设P 是AC 的中点，过点P 作PQ ⊥AG 于Q ，连EP ，EQ ，则EP ⊥AC ，又∵平面ABC ⊥平面ACC 1A 1,平面ABC ∩平面ACC 1A 1=AC ∴EP ⊥平面ACC 1A 1， 而PQ ⊥AG ∴EQ ⊥AG ．∴∠PQE 是二面角C -AG -E 的平面角， 由(2)假设知：EP =1，AP =1， Rt △ACG ∽Rt △AQP ，PQ =CG·AP AG=1√5，故tan ∠PQE =PEPQ =√5，所以二面角C -AG -E 的平面角正切值是√5.【解析】本题考查异面直线的夹角，线线垂直的判定，属于中档题，熟练掌握线面垂直，线线垂直与面面垂直之间的转化及异面直线夹角及二面角的定义，是解答本题的关键，属于较难题.（1）由BB 1⊥面ABC 及线面垂直的性质可得AE ⊥BB 1，由AC =AB ，E 是BC 的中点，及等腰三角形三线合一，可得AE ⊥BC ，结合线面垂直的判定定理可证得AE ⊥面BB 1C 1C ，进而由线面垂直的性质得到AE ⊥B 1C ；（2）取B 1C 1的中点E 1，连A 1E 1，E 1C ，根据异面直线夹角定义可得，∠E 1A 1C 是异面直线A 与A 1C 所成的角，设AC =AB =AA 1=2，解三角形E 1A 1C 可得答案． （3）连接AG ，设P 是AC 的中点，过点P 作PQ ⊥AG 于Q ，连EP ，EQ ，则EP ⊥AC ，由直三棱锥的侧面与底面垂直，结合面面垂直的性质定理，可得EP ⊥平面ACC 1A 1，进而由二面角的定义可得∠PQE 是二面角C -AG -E 的平面角．4.【答案】（Ⅰ）证明：因为底面ABCD 是菱形，AC ∩BD =O ，所以O 为AC ，BD 中点．-------------------------------------（1分）又因为PA =PC ，PB =PD ，所以PO ⊥AC ，PO ⊥BD ，---------------------------------------（3分）所以PO ⊥底面ABCD ．----------------------------------------（4分）（Ⅱ）解：由底面ABCD 是菱形可得AC ⊥BD ， 又由（Ⅰ）可知PO ⊥AC ，PO ⊥BD ．如图，以O 为原点建立空间直角坐标系O -xyz ．由△PAC 是边长为2的等边三角形，PB =PD =√6，可得PO =√3，OB =OD =√3．所以A(1，0，0)，C(−1，0，0)，B(0，√3，0)，P(0，0，√3)．---------------------------------------（5分）所以CP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(1，0，√3)，AP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(−1，0，√3)． 由已知可得OF ⃗⃗⃗⃗⃗ =OA⃗⃗⃗⃗⃗ +14AP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(34，0，√34)-----------------------------------------（6分） 设平面BDF 的法向量为n −=（x ，y ，z ），则{√3y =034x +√34z =0令x =1，则z =−√3，所以n ⃗ =（1，0，-√3）．----------------------------------------（8分） 因为cos ＜CP ⃗⃗⃗⃗⃗ ，n ⃗ ＞=CP ⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅n ⃗⃗|CP ⃗⃗⃗⃗⃗ ||n ⃗⃗ |=-12，----------------------------------------（9分） 所以直线CP 与平面BDF 所成角的正弦值为12，所以直线CP 与平面BDF 所成角的大小为30°．-----------------------------------------（10分）（Ⅲ）解：设BMBP =λ（0≤λ≤1），则CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =CB ⃗⃗⃗⃗⃗ +BM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =CB ⃗⃗⃗⃗⃗ +λBP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(1，√3(1−λ)，√3λ)．---------------------------------（11分）若使CM ∥平面BDF ，需且仅需CM −⋅n ⃗ =0且CM ⊄平面BDF ，---------------------（12分） 解得λ=13∈[0，1]，----------------------------------------（13分） 所以在线段PB 上存在一点M ，使得CM ∥平面BDF ． 此时BM BP =13．-----------------------------------（14分）【解析】（Ⅰ）证明PO ⊥底面ABCD ，只需证明PO ⊥AC ，PO ⊥BD ；（Ⅱ）建立空间直角坐标系，求出直线CP 的方向向量，平面BDF 的法向量，利用向量的夹角公式可求直线CP 与平面BDF 所成角的大小；（Ⅲ）设BMBP =λ（0≤λ≤1），若使CM ∥平面BDF ，需且仅需CM −⋅n ⃗ =0且CM ⊄平面BDF ，即可得出结论．本题考查线面垂直，考查线面平行，考查线面角，考查向量知识的运用，正确求出向量的坐标是关键．5.【答案】解：（I ）证明：∵CC 1⊥平面ABC ，AC ⊂平面ABC ，∠ACB =90°， ∴CC 1⊥AC ，AC ⊥BC ，又BC ∩CC 1=C ，∴AC ⊥平面BCC 1，BC 1⊂平面BCC 1， ∴AC ⊥BC 1．（II ）证明：如图，设CB 1∩C 1B =E ，连接DE ， ∵D 为AB 的中点，E 为C 1B 的中点，∴DE ∥AC 1， ∵DE ⊂平面B 1CD ，AC 1⊄平面B 1CD ， ∴AC 1∥平面B 1CD ．（III ）解：由DE ∥AC 1，∠CED 为AC 1与B 1C 所成的角，在△CDE 中，DE =12AC 1=12√AC 2+CC 12=√62， CE =12B 1C =12√BC 2+BB 12=√62，CD =12AB =12√AC 2+BC 2=1，cos ∠CED =CE 2+DE 2−CD 22×CE×DE=32+32−12×√62×√62=23，∴异面直线AC 1与B 1C 所成角的余弦值为23．【解析】本题考查线线垂直的判定、线面平行的判定、异面直线及其所成的角． （I ）先证线面垂直，再由线面垂直证明线线垂直即可； （II ）作平行线，由线线平行证明线面平行即可；（III ）先证明∠CED 为异面直线所成的角，再在三角形中利用余弦定理计算即可． 6.【答案】解：如图，在正三棱柱ABC -A 1B 1C 1中， 设AC ，A 1C 1的中点分别为O ，O 1， 则，OB ⊥OC ，OO 1⊥OC ，OO 1⊥OB ，故以{OB ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ，OC ⃗⃗⃗⃗⃗ ，OO 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ }为基底， 建立空间直角坐标系O -xyz ，∵AB =AA 1=2，A （0，-1，0），B （√3，0，0）， C （0，1，0），A 1（0，-1，2），B 1（√3，0，2），C 1（0，1，2）．（1）点P 为A 1B 1的中点．∴P(√32，−12，2)，∴BP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(−√32，−12，2)，AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(0,2,2)． |cos <BP ⃗⃗⃗⃗⃗ ,AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ >|=|BP ⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗||BP ⃗⃗⃗⃗⃗ |⋅|AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |=|−1+4|√5×2√2=3√1020．∴异面直线BP 与AC 1所成角的余弦值为：3√1020； （2）∵Q 为BC 的中点．∴Q （√32，12，0）∴AQ ⃗⃗⃗⃗⃗ =(√32，32，0)，AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(0,2,2),CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(0,0,2)，设平面AQC 1的一个法向量为n⃗ =（x ，y ，z ）， 由{AQ ⃗⃗⃗⃗⃗ ·n ⃗ =√32x +32y =0AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ·n⃗ =2y +2z =0，可取n⃗ =（√3，-1，1）， 设直线CC 1与平面AQC 1所成角的正弦值为θ， sinθ=|cos|=|CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅n ⃗ ||CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |⋅|n⃗ |=2√5×2=√55， ∴直线CC 1与平面AQC 1所成角的正弦值为√55．【解析】本题考查了向量法求空间角，属于中档题．设AC ，A 1C 1的中点分别为O ，O 1，以{OB ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ，OC ⃗⃗⃗⃗⃗ ，OO 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ }为基底，建立空间直角坐标系O -xyz ，（1）由|cos ＜BP ⃗⃗⃗⃗⃗ ，AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ＞|=|BP ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗||BP ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |⋅|AC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |可得异面直线BP 与AC 1所成角的余弦值；（2）求得平面AQC 1的一个法向量为n⃗ ，设直线CC 1与平面AQC 1所成角的正弦值为θ，可得sinθ=|cos ＜CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ，n⃗ ＞|=|CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅n ⃗⃗ ||CC 1⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |⋅|n ⃗⃗ |，即可得直线CC 1与平面AQC 1所成角的正弦值．7.【答案】（1）证明：如图，设AC ∩BD =O ，∵ABCD 为正方形，∴O 为BD 的中点，连接OM ，∵PD ∥平面MAC ，PD ⊂平面PBD ，平面PBD ∩平面AMC =OM ， ∴PD ∥OM ，则BOBD =BM BP，即M 为PB 的中点；（2）解：取AD 中点G ， ∵PA =PD ，∴PG ⊥AD ，∵平面PAD ⊥平面ABCD ，且平面PAD ∩平面ABCD =AD ， ∴PG ⊥平面ABCD ，则PG ⊥AD ，连接OG ，则PG ⊥OG ，由G 是AD 的中点，O 是AC 的中点，可得OG ∥DC ，则OG ⊥AD ．以G 为坐标原点，分别以GD 、GO 、GP 所在直线为x 、y 、z 轴距离空间直角坐标系， 由PA =PD =√6，AB =4，得D （2，0，0），A （-2，0，0），P （0，0，√2），C （2，4，0），B （-2，4，0），M （-1，2，√22），DP ⃗⃗⃗⃗⃗ =(−2，0，√2)，DB⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(−4，4，0)． 设平面PBD 的一个法向量为m ⃗⃗⃗ =(x ，y ，z)，则由{m ⃗⃗⃗ ⋅DP ⃗⃗⃗⃗⃗ =0m⃗⃗⃗ ⋅DB ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =0，得{−2x +√2z =0−4x +4y =0，取z =√2，得m ⃗⃗⃗ =(1，1，√2)． 取平面PAD 的一个法向量为n ⃗ =(0，1，0)．∴cos ＜m ⃗⃗⃗ ，n ⃗ ＞=m ⃗⃗⃗ ⋅n ⃗⃗ |m ⃗⃗⃗ ||n ⃗⃗ |=12×1=12． ∴二面角B -PD -A 的大小为60°；（3）解：CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =(−3，−2，√22)，平面BDP 的一个法向量为m ⃗⃗⃗ =(1，1，√2)．∴直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值为|cos ＜CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ，m ⃗⃗⃗ ＞|=|CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⋅m ⃗⃗⃗|CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ||m ⃗⃗⃗ ||=|−2√9+4+12×1|=2√69．【解析】本题考查线面角与面面角的求法，训练了利用空间向量求空间角，属中档题．（1）设AC ∩BD =O ，则O 为BD 的中点，连接OM ，利用线面平行的性质证明OM ∥PD ，再由平行线截线段成比例可得M 为PB 的中点；（2）取AD 中点G ，可得PG ⊥AD ，再由面面垂直的性质可得PG ⊥平面ABCD ，则PG ⊥AD ，连接OG ，则PG ⊥OG ，再证明OG ⊥AD ．以G 为坐标原点，分别以GD 、GO 、GP 所在直线为x 、y 、z 轴距离空间直角坐标系，求出平面PBD 与平面PAD 的一个法向量，由两法向量所成角的大小可得二面角B -PD -A 的大小；（3）求出CM⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 的坐标，由CM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 与平面PBD 的法向量所成角的余弦值的绝对值可得直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值．8.【答案】解：（Ⅰ）证明：设BD 与AC 的交点为O ，连结EO ， ∵ABCD 是矩形， ∴O 为BD 的中点 ∵E 为PD 的中点， ∴EO ∥PB ．EO ⊂平面AEC ，PB ⊄平面AEC ∴PB ∥平面AEC ；（Ⅱ）∵AP =1，AD =√3，三棱锥P -ABD 的体积V =√34，∴V =16PA ⋅AB ⋅AD =√36AB =√34，∴AB =32，PB =√1+(32)2=√132．作AH ⊥PB 交PB 于H ， 由题意可知BC ⊥平面PAB ， ∴BC ⊥AH ，故AH ⊥平面PBC ．又在三角形PAB 中，由射影定理可得：AH =PA⋅AB PB=3√1313A 到平面PBC 的距离3√1313．【解析】本题考查直线与平面垂直，点到平面的距离的求法，考查空间想象能力以及计算能力．（Ⅰ）设BD 与AC 的交点为O ，连结EO ，通过直线与平面平行的判定定理证明PB ∥平面AEC ；（Ⅱ）通过AP =1，AD =√3，三棱锥P -ABD 的体积V =√34，求出AB ，作AH ⊥PB 角PB于H ，说明AH 就是A 到平面PBC 的距离．通过解三角形求解即可． 9.【答案】证明：（I ）∵PA ⊥底面ABCD ，AD ⊥AB ， 以A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系，∵AD =DC =AP =2，AB =1，点E 为棱PC 的中点． ∴B （1，0，0），C （2，2，0），D （0，2，0）， P （0，0，2），E （1，1，1）∴BE⃗⃗⃗⃗⃗ =（0，1，1），DC ⃗⃗⃗⃗⃗ =（2，0，0） ∵BE ⃗⃗⃗⃗⃗ •DC ⃗⃗⃗⃗⃗ =0， ∴BE ⊥DC ；（Ⅱ）∵BD ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =（-1，2，0），PB ⃗⃗⃗⃗⃗ =（1，0，-2），设平面PBD 的法向量m⃗⃗⃗ =（x ，y ，z ）， 由{m ⃗⃗⃗ ⋅BD ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =0m⃗⃗⃗ ⋅PB ⃗⃗⃗⃗⃗ =0，得{−x +2y =0x −2z =0， 令y =1，则m⃗⃗⃗ =（2，1，1）， 则直线BE 与平面PBD 所成角θ满足： sinθ=m⃗⃗⃗ ⋅BE ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |m ⃗⃗⃗ |⋅|BE ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |=2√6×√2=√33， 故直线BE 与平面PBD 所成角的正弦值为√33．（Ⅲ）∵BC⃗⃗⃗⃗⃗ =（1，2，0），CP ⃗⃗⃗⃗⃗ =（-2，-2，2），AC ⃗⃗⃗⃗⃗ =（2，2，0）， 由F 点在棱PC 上，设CF⃗⃗⃗⃗⃗ =λCP ⃗⃗⃗⃗⃗ =（-2λ，-2λ，2λ）（0≤λ≤1）， 故BF ⃗⃗⃗⃗⃗ =BC ⃗⃗⃗⃗⃗ +CF⃗⃗⃗⃗⃗ =（1-2λ，2-2λ，2λ）（0≤λ≤1）， 由BF ⊥AC ，得BF ⃗⃗⃗⃗⃗ •AC ⃗⃗⃗⃗⃗ =2（1-2λ）+2（2-2λ）=0， 解得λ=34，即BF ⃗⃗⃗⃗⃗ =（-12，12，32）， 设平面FBA 的法向量为n ⃗ =（a ，b ，c ）， 由{n ⃗ ⋅AB ⃗⃗⃗⃗⃗ =0n ⃗ ⋅BF ⃗⃗⃗⃗⃗ =0，得{a =0−12a +12b +32c =0令c =1，则n⃗ =（0，-3，1）， 取平面ABP 的法向量i =（0，1，0）， 则二面角F -AB -P 的平面角α满足： cosα=|i ⋅n ⃗⃗ ||i|⋅|n ⃗⃗ |=3√10=3√1010，故二面角F -AB -P 的余弦值为：3√1010【解析】本题考查的知识点是空间二面角的平面角，建立空间直角坐标系，将二面角问题转化为向量夹角问题，是解答的关键．（I ）以A 为坐标原点，建立空间直角坐标系，求出BE ，DC 的方向向量，根据BE ⃗⃗⃗⃗⃗ •DC ⃗⃗⃗⃗⃗ =0，可得BE ⊥DC ；（II ）求出平面PBD 的一个法向量，代入向量夹角公式，可得直线BE 与平面PBD 所成角的正弦值；（Ⅲ）根据BF ⊥AC ，求出向量BF ⃗⃗⃗⃗⃗ 的坐标，进而求出平面FAB 和平面ABP 的法向量，代入向量夹角公式，可得二面角F -AB -P 的余弦值． 10.【答案】证明：（Ⅰ）取AD 的中点F ，连接EF ，CF ，∵E 为PD 的中点，∴EF ∥PA ，EF ∥平面PAB ，在四边形ABCD 中，BC ∥AD ，AD =2DC =2CB ，F 为中点，∴四边形CBAF 为平行四边形，故CF ∥AB ，CF ∥平面PAB ，∵CF ∩EF =F ，EF ∥平面PAB ，CF ∥平面PAB ， ∴平面EFC ∥平面ABP ， ∵EC ⊂平面EFC ， ∴EC ∥平面PAB ．解：（Ⅱ）连接BF ，过F 作FM ⊥PB 于M ，连接PF ， ∵PA =PD ，∴PF ⊥AD ，∵DF ∥BC ，DF =BC ，CD ⊥AD ，∴四边形BCDF 为矩形，∴BF ⊥AD ， 又AD ∥BC ，故PF ⊥BC ，BF ⊥BC ，又BF ∩PF =F ,BF 、PF ⊂平面PBF ，BC ⊄平面PBF ， ∴BC ⊥平面PBF ，∴BC ⊥PB ，设DC =CB =1，由PC =AD =2DC =2CB ，得AD =PC =2， ∴PB =√PC 2−BC 2=√4−1=√3， BF =PF =1，∴MF =√12−(√32)2=12，又BC ⊥平面PBF ，∴BC ⊥MF ，又PB ∩BC =B ,PB 、BC ⊂平面PBC ，MF ⊄平面PBC ， ∴MF ⊥平面PBC ，即点F 到平面PBC 的距离为12，∵MF =12，D 到平面PBC 的距离应该和MF 平行且相等，均为12， E 为PD 中点，E 到平面PBC 的垂足也为所在线段的中点，即中位线， ∴E 到平面PBC 的距离为14，在△PCD 中,PC =2,CD =1,PD =√2，,故由余弦定理得CE =√2， 设直线CE 与平面PBC 所成角为θ，则sinθ=14CE=√28．【解析】本题考查线面平行的证明，考查线面角的正弦值的求法，考查空间中线线、能力，考查数形结合思想、化归与转化思想，属于中档题．（Ⅰ）取AD的中点F，连结EF，CF，推导出EF∥PA，CF∥AB，从而平面EFC∥平面ABP，由此能证明EC∥平面PAB．（Ⅱ）连结BF，过F作FM⊥PB于M，连结PF，推导出四边形BCDF为矩形，从而BF⊥AD，进而AD⊥平面PBF，由AD∥BC，得BC⊥PB，再求出BC⊥MF，由此能求出sinθ．11.【答案】证明：（Ⅰ）∵EA=EB，M是AB的中点，∴EM⊥AB，∵平面ABE⊥平面ABCD，平面ABE∩平面ABCD=AB，EM⊂平面ABE，∴EM⊥平面ABCD，∵AD⊂平面ABCD，∴EM⊥AD；（Ⅱ）取DE的中点F，连接AF，NF，∵N是CE的中点，∴NF=//12CD，∵M是AB的中点，∴AM=//12CD，∴NF=//AM，∴四边形AMNF是平行四边形，∴MN∥AF，∵MN⊄平面ADE，AF⊂平面ADE，∴MN∥平面ADE；解：（III）设点A到平面BCE的距离为d，由（I）知ME⊥平面ABC，BC=BE=2，MC=ME=√3，则CE=√6，BN=√BE2−EN2=√102，∴S△BCE=12CE⋅BN=√152，S△ABC=12BA×BC×sin60°=√3，∵V A-BCE=V E-ABC，即13S△BCE×d=13S△ABC×ME，解得d=2√155，故点A到平面BCE的距离为2√155．【解析】本题考查线线垂直、线面平行的证明，考查点到平面的距离的求法，涉及到力、数据处理能力，考查数形结合思想，是中档题．（Ⅰ）推导出EM ⊥AB ，从而EM ⊥平面ABCD ，由此能证明EM ⊥AD ；（Ⅱ）取DE 的中点F ，连接AF ，NF ，推导出四边形AMNF 是平行四边形，从而MN ∥AF ，由此能证明MN ∥平面ADE ；（III ）设点A 到平面BCE 的距离为d ，由V A -BCE =V E -ABC ，能求出点A 到平面BCE 的距离．12.【答案】（I ）证明：∵AB ∥CD ，AD ⊥DC ，AB =AD =1，CD =2，∴BD =BC =√2， ∴BD 2+BC 2=CD 2， ∴BD ⊥BC ，∵EA ⊥平面ABCD ，BD ⊂平面ABCD ， ∴EA ⊥BD ，∵EA ∥FC ， ∴FC ⊥BD ，又BC ⊂平面BCF ，FC ⊂平面BCF ，BC ∩CF =C ， ∴BD ⊥平面FBC ， 又BD ⊂平面BDE ，∴平面BDE ⊥平面BCF ．（II ）解：过A 作AM ⊥DE ，垂足为M ， ∵EA ⊥平面ABCD ，CD ⊂平面ABCD ， ∴EA ⊥CD ，又CD ⊥AD ，EA ∩AD =A ， ∴CD ⊥平面EAD ，又AM ⊂平面EAD ， ∴AM ⊥CD ，又AM ⊥DE ，DE ∩CD =D ， ∴AM ⊥平面CDE ，∵AD =AE =1，EA ⊥AD ，∴AM =√22，即A 到平面CDE 的距离为√22，∵AB ∥CD ，CD ⊂平面CDE ，AB ⊄平面CDE ， ∴AB ∥平面CDE ，∴B 到平面CDE 的距离为√22．【解析】（I ）先计算BD ，BC ，利用勾股定理的逆定理证明BD ⊥BC ，再利用EA ⊥平面ABCD 得出AE ⊥BD ，从而有CF ⊥BD ，故而推出BD ⊥平面FBC ，于是平面EBD ⊥平面BCF ；（II ）证明AB ∥平面CDE ，于是B 到平面CDE 的距离等于A 到平面CDE 的距离，过A 作AM ⊥DE ，证明AM ⊥平面CDE ，于是AM 的长即为B 到平面CDE 的距离． 本题考查了线面垂直、面面垂直的判定与性质，空间距离的计算，属于中档题． 13.【答案】证明：方法一：（1）取PA 中点G ，连结DG 、FG ． ∵F 是PB 的中点， ∴GF ∥AB 且GF =12AB ，又底面ABCD 为矩形，E 是DC 中点， ∴DE ∥AB 且DE =12AB∴GF ∥DE 且GF =DE ，∴EF ∥DG∵DG ⊂平面PAD ，EF ⊄平面PAD ， ∴EF ∥平面PAD ．（2）∵PD ⊥底面ABCD ，AB ⊂面ABCD ∴PD ⊥AB又底面ABCD 为矩形 ∴AD ⊥AB 又PD ∩AD =D ∴AB ⊥平面PAD ∵DG ⊂平面PAD ∴AB ⊥DG∵AD =PD ，G 为AP 中点 ∴DG ⊥AP又AB ∩AP =A ， ∴DG ⊥平面PAB又由（1）知EF ∥DG ∴EF ⊥平面PAB ，又EF ⊂面AEF ∴平面AEF ⊥平面PAB ．证法二：（1）以D 为坐标原点，DA 、DC 、DP 所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴，建立如图所示空间直角坐标系．设AB =a ． ∵AD =PD =2，∴A （2，0，0），B （2，a ，0），C （0，a ，0），P （0，0，2）， ∵E 、F 分别为CD ，PB 的中点 ∴E （0，a2，0），F （1，a2，0）．∴EF ⃗⃗⃗⃗⃗ =(1，0，1)， ∵DP ⃗⃗⃗⃗⃗ +DA ⃗⃗⃗⃗⃗ =（0，0，2）+（2，0，0）=（2，0，2）， ∴EF ⃗⃗⃗⃗⃗ =12（DP ⃗⃗⃗⃗⃗ +DA ⃗⃗⃗⃗⃗ ）=12DP ⃗⃗⃗⃗⃗ +12DA ⃗⃗⃗⃗⃗ ， 故EF ⃗⃗⃗⃗⃗ 、DP ⃗⃗⃗⃗⃗ 、DA ⃗⃗⃗⃗⃗ 共面， 又EF ⊄平面PAD ∴EF ∥平面PAD ．（2）由（1）知EF ⃗⃗⃗⃗⃗ =(1，0，1)，AB ⃗⃗⃗⃗⃗ =(0，a ，0)，AP⃗⃗⃗⃗⃗ =(−2，0，2)． ∴EF ⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅AB ⃗⃗⃗⃗⃗ =0，EF ⃗⃗⃗⃗⃗ •AP ⃗⃗⃗⃗⃗ =-2+0+2=0， ∴EF ⃗⃗⃗⃗⃗ ⊥AB ⃗⃗⃗⃗⃗ ，EF ⃗⃗⃗⃗⃗ ⊥AP ⃗⃗⃗⃗⃗ ， 又AB ∩AP =A ，∴EF ⊥平面PAB ， 又EF ⊂平面AEF ，∴平面AEF ⊥平面PAB ， （3）AB =2√2由（1）知，∴AE ⃗⃗⃗⃗⃗ =（-2，√2，0），EF⃗⃗⃗⃗⃗ =（1，0，1）设平面AEF 的法向量n ⃗ =(x ，y ，z)，则{n⃗ ⋅AE ⃗⃗⃗⃗⃗ =0n ⃗ ⋅EF ⃗⃗⃗⃗⃗ =0即−2x +√2y =0令x =1，则y =√2，z =-1， ∴n⃗ =（1，√2，-1）， 又AC⃗⃗⃗⃗⃗ =（-2，2√2，0）， ∴cos ＜AC⃗⃗⃗⃗⃗ ，n ⃗ ＞=−2+4+02√12=√36， ∴sinθ=|cos ＜AC⃗⃗⃗⃗⃗ ，n ⃗ ＞|=√36．【解析】方法一；（1）取PA 中点G ，连结DG 、FG ，要证明EF ∥平面PAD ，我们可以证明EF 与平面PAD 中的直线AD 平行，根据E 、F 分别是PB 、PC 的中点，利用中位线定理结合线面平行的判定定理，即可得到答案． （2）根据线面垂直的和面面垂直的判断定理即可证明．方法二：（1）求出直线EF 所在的向量，得到EF ⃗⃗⃗⃗⃗ =12（DP ⃗⃗⃗⃗⃗ +DA ⃗⃗⃗⃗⃗ ）=12DP ⃗⃗⃗⃗⃗ +12DA ⃗⃗⃗⃗⃗ ，即可证明EF ∥平面PAD ．（2）再求出平面内两条相交直线所在的向量，然后利用向量的数量积为0，根据线面垂直的判定定理得到线面垂直，即可证明平面AEF ⊥平面PAB（3）求出平面的法向量以及直线所在的向量，再利用向量的有关运算求出两个向量的夹角，进而转化为线面角，即可解决问题．本题考查了本题考查的知识点是直线与平面平行的判定，面面垂直，直线与平面所成的角，解决此类问题的关键是熟练掌握几何体的结构特征，进而得到空间中点、线、面的位置关系，利于建立空间之间坐标系，利用向量的有关知识解决空间角与空间距离以及线面的位置关系等问题，属于中档题．14.【答案】解：（1）证明：∵PO ⊥平面ABCD ，且AD ⊂平面ABCD ， ∴PO ⊥AD ， ∵∠ADC =45°且AD =AC =2， ∴∠ACD =45°， ∴∠DAC =90°， ∴AD ⊥AC ，∵AC ⊂平面PAC ，PO ⊂平面PAC ，且AC ∩PO =O ， ∴由直线和平面垂直的判定定理知AD ⊥平面PAC ． （2）解：取DO 中点N ，连接MN ，AN ， 由PO ⊥平面ABCD ，得MN ⊥平面ABCD ， ∴∠MAN 是直线AM 与平面ABCD 所成的角， ∵M 为PD 的中点， ∴MN ∥PO ，且MN =12PO =3， AN =12DO =√52，在Rt △ANM 中，tan ∠MAN =MNAN =3√52=6√55， 即直线AM 与平面ABCD 所成角的正切值为6√55．【解析】（1）由PO ⊥平面ABCD ，得PO ⊥AD ，由∠ADC =45°，AD =AC ，得AD ⊥AC ，从而证明AD ⊥平面PAC ．（2）取DO 中点N ，连接MN ，AN ，由M 为PD 的中点，知MN ∥PO ，由PO ⊥平面出直线AM 与平面ABCD 所成角的正切值．本题考查直线与平面垂直的证明，考查直线与平面所成角的正切值的求法．解题时要认真审题，仔细解答，注意合理地化空间问题为平面问题． 15.【答案】证明：（I ）在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，连接A 1B ，交AB 1于O 点，连接OD∵在△A 1BC 1中，A 1D =DC 1，A 1O =OB ， ∴OD ∥BC 1，又∵OD ⊂平面AB 1D ，BC 1⊄平面AB 1D ； ∴BC 1∥平面AB 1D ；（II ）在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，A 1A ⊥平面A 1B 1C 1； ∵B 1D ⊂平面A 1B 1C 1； ∴A 1A ⊥B 1D在△A 1B 1C 1中，D 为A 1C 1的中点 ∴B 1D ⊥A 1C 1又∵A 1A ∩A 1C 1=A 1，A 1A ，A 1C 1⊂平面AA 1C 1C ， ∴B 1D ⊥平面AA 1C 1C ， 又∵A 1C ⊂平面AA 1C 1C ， ∴B 1D ⊥A 1C又∵A 1D AA 1=AA1AC =√22∴∠DA 1A =∠A 1AC =90°∴△DA 1A ∽△A 1AC ，∠ADA 1=∠CA 1A∵∠DA 1C +∠CA 1A =90° ∴∠DA 1C +∠ADA 1=90°∴A 1C ⊥AD又∵B 1D ∩AD =D ，B 1D ，AD ⊂平面AB 1D ； ∴A 1C ⊥平面AB 1D ；解：（III ）由（I ）得，OD ∥BC 1， 故AD 与BC 1所成的角即为∠ADO在△ADO 中，AD =√3，OD =12BC 1=√62，AO =12A 1B =√62，∵AD 2=OD 2+AO 2，OD =AO∴△ADO 为等腰直角三角形故∠ADO =45°即异面直线AD 与BC 1所成角等于45°【解析】（I ）连接A 1B ，交AB 1于O 点，连接OD ，由平行四边形性质及三角形中位线定理可得OD ∥BC 1，进而由线面平行的判定定理得到BC 1∥平面AB 1D ；（II ）由直棱柱的几何特征可得A 1A ⊥B 1D ，由等边三角形三线合一可得B 1D ⊥A 1C 1，进而由线面垂直的判定定理得到B 1D ⊥平面AA 1C 1C ，再由三角形相似得到A 1C ⊥AD 后，可证得A 1C ⊥平面AB 1D ．（III ）由（I ）中OD ∥BC 1，可得异面直线AD 与BC 1所成角即∠ADO ，解△ADO 可得答案．本题考查的知识点是直线与平面垂直的判定，异面直线及其所成的角，直线与平面平行的判定，（I ）的关键是证得OD ∥BC 1，（II ）的关键是熟练掌握线面垂直与线线垂直之间的转化，（III ）的关键是得到异面直线AD 与BC 1所成角即∠ADO ．16.【答案】（Ⅰ）证明：由P -ABD ，Q -BCD 是相同正三棱锥，且∠APB =90°，分别过P 、Q 作PE ⊥平面ABD ，QF ⊥平面BCD ，垂足分别为E 、F ，则E 、F 分别为底面正三角形ABD 与BCD 的中心． 连接EF 交BD 于G ，则G 为BD 的中点，连接PG 、QG ，则PG ⊥BD ，QG ⊥BD ，又PG ∩QG =G ，∴BD ⊥平面PQG ，则BD ⊥PQ ， 再由正三棱锥的性质可得PA ⊥BD ， 又PQ ∩PA =P ，∴BD ⊥平面APQ ；（Ⅱ）∵正三棱锥的底面边长为1，且∠APB =90°，∴PQ =EF =2EG =2×13AG =2×13×√32=√33， PE =√(√22)2−(√33)2=√66，则V B−PQD =13×12×√33×√66×1=√236．△PDQ 底边PQ 上的高为√(√22)2−(√36)2=√156，∴S △PDQ =12×√33×√156=√512．设B 到平面PQD 的距离为h ，则13×√512ℎ=√236，得h =√105．∴直线PB 与平面PDQ 所成角的正弦值为√105√22=2√55．【解析】（Ⅰ）由题意分别过P 、Q 作PE ⊥平面ABD ，QF ⊥平面BCD ，可得E 、F 分别为底面正三角形ABD 与BCD 的中心．连接EF 交BD 于G ，可得PG ⊥BD ，QG ⊥BD ，由线面垂直的判定及性质可得BD ⊥PQ ，再由正三棱锥的性质可得PA ⊥BD ，则BD ⊥平面APQ ；（Ⅱ）由已知求得PQ ，PE 的长，求得四面体B -PQD 的体积，利用等积法求出B 到平面PQD 的距离，则直线PB 与平面PDQ 所成角的正弦值可求．本题考查直线与平面所成的角，考查线面垂直的判定，考查空间想象能力和思维能力，训练了利用等积法求多面体的体积，是中档题． 17.【答案】（1）证明：如图：∵AB =BC ，E 为AC 的中点，∴BE ⊥AC ，∵平面A 1ACC 1⊥平面ABC ，平面A 1ACC 1∩平面ABC =AC ， ∴BE ⊥平面A 1ACC 1，∵A 1C ⊂平面A 1ACC 1，∴BE ⊥A 1C ．（2）解：∵面A1ACC1⊥面ABC，∴C1在面ABC上的射影H在AC上，∴∠C1CA为直线C1C与面ABC所成的角．过H作HM⊥BC于M，连C1M，在Rt△C1CM中，CM=CC1cos∠C1CM=2cos60°=1．在Rt△CMH中，CH=CMcos∠ACB =2√33．∴在Rt△C1CH中，cos∠C1CH=CHCC1=23√32=√33．∴直线C1C与面ABC所成的角的余弦值为√33.【解析】（1）证明BE⊥平面A1ACC1，可得BE⊥A1C，即可证明：A1C⊥平面C1EB；（2）判断∠C1CA为直线C1C与面ABC所成的角．过H作HM⊥BC于M，连C1M，即可求直线CC1与平面ABC所成角的余弦值．本题考查线面垂直的判定与性质，考查线面角，考查学生分析解决问题的能力，属于中档题．18.【答案】证明：（1）连接CD，据题知AD=4，BD=2，∵AC2+BC2=AB2，∴∠ACB=90°，∴cos∠ABC=2√36=√33，∴CD2=4+12−2×2×2√3cos∠ABC=8，∴CD=2√2，∴CD2+AD2=AC2，∴CD⊥AB，又∵平面PAB⊥平面ABC，平面PAB∩平面ABC=AB，CD⊂平面ABC,∴CD⊥平面PAB，∵PD⊂平面PAB，∴CD⊥PD，∵PD⊥AC，CD∩AC=C，CD、AC⊂平面ABC,∴PD⊥平面ABC．解：（2）∵∠PAB=π4，∴PD=AD=4，∴PA=4√2，在Rt△PCD中，PC=√PD2+CD2=2√6，∴△PAC是等腰三角形，∴S△PAC=8√2，设点B到平面PAC的距离为d，由V B-PAC=V P-ABC，得13S△PAC×d=13S△ABC×PD，∴d==3，故点B到平面PAC的距离为3．【解析】本题考查线面垂直的证明，考查点到平面的距离的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是中档题．（1）连接CD，推导出CD⊥AB，CD⊥PD，由此能证明PD⊥平面ABC．（2）设点B到平面PAC的距离为d，由V B-PAC=V P-ABC，能求出点B到平面PAC的距离．19.【答案】解：（1）证明：∵ABC-A1B1C1中，A1A⊥平面ABC，又BB 1⊂平面BB 1C 1C ， ∴平面BB 1C 1C ⊥平面ABC ，∵△ABC 为正三角形，D 为BC 的中点， ∴AD ⊥BC ，又平面BB 1C 1C ∩平面ABC =BC ， ∴AD ⊥平面BB 1C 1C ， 又AD ⊂平面ADB 1，∴平面ADB 1⊥平面BB 1C 1C ；（2）由（1）可得△ADB 1为直角三角形， 又AD =√32，B 1D =√52，∴S △ADB 1=12×AD ×B 1D =√158，又S △ADB =12S △ABC =√38，设点B 到平面ADB 1的距离为d ， 则V B−ADB 1=V B 1−ADB ， ∴13S △ADB 1⋅d =13S △ADB ⋅BB 1， ∴点B 到平面ADB 1的距离d =S △ADB ⋅BB 1S △ADB 1=√3√15=√55．【解析】本题考查面面垂直的证明，考查点到平面的距离的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，考查数形结合思想，是中档题.（1）推导出BB 1⊥平面ABC ，从而平面BB 1C 1C ⊥平面ABC ，推导出AD ⊥BC ，从而AD ⊥平面BB 1C 1C ，由此能证明平面ADB 1⊥平面BB 1C 1C ；（2）设点B 到平面ADB 1的距离为d ，由V B−ADB 1=V B 1−ADB ，能求出点B 到平面ADB 1的距离.20.【答案】证明：（1）∵PA ⊥平面ABC ，BE ⊂平面ABC ， ∴PA ⊥BE ．∵AB =BC ，E 为AC 的中点， ∴BE ⊥AC ，又PA ⊂平面PAC ，AC ⊂平面PAC ，PA ∩AC =A ， ∴BE ⊥平面PAC ，又BE ⊂平面BED ， ∴平面BED ⊥平面PAC ．（2）∵D ，E 是PC ，AC 的中点， ∴DE ∥PA ，又PA ⊥平面ABC ，∴DE ⊥平面ABC ，∵EF ⊂平面ABC ，BE ⊂平面ABC ， ∴DE ⊥EF ，DE ⊥BE ．∴∠FEB 为二面角F -DE -B 的平面角．∵E ，F 分别是AC ，AB 的中点，AB =AC ， ∴EF =12BC =12AB =BF ，EF ∥BC ．又AB ⊥BC ，∴BF ⊥EF ，∴△BEF 为等腰直角三角形，∴∠FEB =45°． ∴二面角F -DE -B 为45°．∴PA⊥BC，又BC⊥AB，PA⊂平面PAB，AB⊂平面PAB，PA∩AB=A，∴BC⊥平面PAB．∴∠CPB为直线PC与平面PAB所成的角．∵PA=6，∴DE=12PA=3，又DF=5，∴EF=√DF2−DE2=4．∴AB=BC=8．∴PB=√PA2+AB2=10．∴tan∠CPB=BCPB =4 5．【解析】（1）通过证明BE⊥平面PAC得出平面BED⊥平面PAC；（2）由DE∥PA得出DE⊥平面ABC，故DE⊥EF，DE⊥BE，于是∠FEB为所求二面角的平面角，根据△BEF为等腰直角三角形得出二面角的度数；（3）证明BC⊥平面PAB得出∠CPB为所求角，利用勾股定理得出BC，PB，即可得出tan∠CPB．本题考查了线面垂直，面面垂直的判定，空间角的计算，做出空间角是解题关键，属于中档题．21.【答案】解：（1）证明：设AC∩BD=H，连接EH，在△ADC中，因为AD=CD，且DB平分∠ADC，所以H为AC的中点，又有题设，E为PC的中点，故EH∥PA，又HE⊂平面BDE，PA⊄平面BDE，所以PA∥平面BDE（2）证明：因为PD⊥平面ABCD，AC⊂平面ABCD，所以PD⊥AC由（1）知，BD⊥AC，PD∩BD=D，故AC⊥平面PBD（3）由AC⊥平面PBD可知，BH为BC在平面PBD内的射影，所以∠CBH为直线与平面PBD所成的角．由AD⊥CD，AD=CD=1，DB=2√2，可得DH=CH=√22，BH=3√22在Rt△BHC中，tan∠CBH=CHBH =13，所以直线BC与平面PBD所成的角的正切值为13．【解析】（1）欲证PA∥平面BDE，根据直线与平面平行的判定定理可知只需证PA与平面BDE内一直线平行，设AC∩BD=H，连接EH，根据中位线定理可知EH∥PA，而又HE⊂平面BDE，PA⊄平面BDE，满足定理所需条件；（2）欲证AC⊥平面PBD，根据直线与平面垂直的判定定理可知只需证AC与平面PBD内两相交直线垂直，而PD⊥AC，BD⊥AC，PD∩BD=D，满足定理所需条件；（3）由AC⊥平面PBD可知，BH为BC在平面PBD内的射影，则∠CBH为直线与平面PBD所成的角，在Rt△BHC中，求出此角即可．本小题主要考查直线与平面平行．直线和平面垂直．直线和平面所成的角等基础知识，考查空间想象能力、运算能力和推理能力．。
高中数学高考总复习立体几何平行与垂直的判断习题及详解
高中数学高考总复习立体几何平行与垂直的判断习题及详解一、选择题1．(文)(09·福建)设m，n是平面α内的两条不同直线；l1，l2是平面β内的两条相交直线，则α∥β的一个充分而不必要条件是()A．m∥β且l1∥αB．m∥l1且n∥l2C．m∥β且n∥βD．m∥β且n∥l2[答案] B[解析]如图(1)，α∩β＝l，m∥l，l1∥l，满足m∥β且l1∥α，故排除A；如图(2)，α∩β＝l，m∥n∥l，满足m∥β，n∥β，故排除C.在图(2)中，m∥n∥l∥l2满足m∥β，n∥l2，故排除D，故选B.[点评]∵l1与l2相交，m∥l1，n∥l2，∴m与n相交，由面面平行的判定定理可知α∥β；但当m、n⊂α，l1，l2⊂β，l1与l2相交，α∥β时，如图(3)，得不出m∥l1且n∥l2.(理)设a，b是两条直线，α，β是两个平面，则a⊥b的一个充分条件是()A．a⊥α，b∥β，α⊥βB．a⊥α，b⊥β，α∥βC．a⊂α，b⊥β，α∥βD．a⊂α，b∥β，α⊥β[答案] C[解析]对于A，如图正方体α、β分别为平面ABCD与平面ADD1A1，a、b分别为直线B1B和C1C.a与b也可能平行，对于B，∵a⊥α，α∥β，∴a⊥β，又b⊥β，∴a∥b，对于D，a与b也可能平行，故选C.2．(2010·郑州检测)已知α，β，γ是三个不同的平面，命题“α∥β，且α⊥γ⇒β⊥γ”是真命题．如果把α，β，γ中的任意两个换成直线，另一个保持不变，在所得的所有新命题中，真命题有()A．0个B．1个C．2个D．3个[答案] C[解析]依题意得，命题“a∥b，且a⊥γ⇒b⊥γ”是真命题(由“若两条平行线中的一条与一个平面垂直，则另一条也与这个平面垂直”可知)；命题“a∥β，且a⊥c⇒β⊥c”是假命题(直线c可能位于平面β内，此时结论不成立)；命题“α∥b，且α⊥c⇒b⊥c”是真命题(因为α∥b，因此在平面α内必存在直线b1∥b；又α⊥c，因此c∥b1，c⊥b)．综上所述，其中真命题共有2个，选C.3．(2010·东北三校模拟)正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，M ，N ，P 分别为A 1B 1，CD ，B 1C 1的中点，则下列命题正确的是( )A ．AM 与PC 是异面直线B ．AM ⊥PC C ．AM ∥平面BC 1ND ．四边形AMC 1N 为正方形 [答案] C[解析] 连接MP ，AC ，A 1C 1，AM ，C 1N ，由题易知MP ∥A 1C 1∥AC ，且MP ＝12AC ，所以AM 与PC 是相交直线，假设AM ⊥PC ，∵BC ⊥平面ABB 1A 1，∴BC ⊥AM ，∴AM ⊥平面BCC 1B 1，又AB ⊥平面BCC 1B 1矛盾，∴AM 与PC 不垂直．因为AM ∥C 1N ，C 1N ⊂平面BC 1N ，所以AM ∥平面BC 1N .又易得四边形AMC 1N 为菱形而不是正方形，故选C.4．(文)对两条不相交的空间直线a 与b ，必存在平面α，使得( ) A ．a ⊂α，b ⊂α B ．a ⊂α，b ∥α C ．a ⊥α，b ⊥αD ．a ⊂α，b ⊥α[答案] B[解析] a 、b 异面时，A 错，C 错；若D 正确，则必有a ⊥b ，故排除A 、C 、D ，选B.(理)设a 、b 为两条直线，α、β为两个平面．下列四个命题中，正确的命题是( ) A ．若a 、b 与α所成的角相等，则a ∥b B ．若a ∥α，b ∥β，α∥β，则a ∥b C ．若a ⊂α，b ⊂β，a ∥b ，则α∥β D ．若a ⊥α，b ⊥β，α⊥β，则a ⊥b [答案] D[解析] 若直线a 、b 与α成等角，则a 、b 平行、相交或异面；对选项B ，如a ∥α，b ∥β，α∥β，则a 、b 平行、相交或异面；对选项C ，若a ⊂α，b ⊂β，a ∥b ，则α、β平行或相交；对选项D ，由⎭⎪⎬⎪⎫a ⊥αβ⊥α⇒a ∥β或a ⊂β，无论哪种情形，由b ⊥β都有b ⊥a .，故选D. 5．一个正方体纸盒展开后如图，在原正方体纸盒中有下列结论：①AB ⊥EF ②AB 与CM 成60°③EF 与MN 是异面直线④MN ∥CD 其中正确的是( )A．①②B．③④C．②③D．①③[答案] D[解析]本题考查学生的空间想象能力，将其还原成正方体如图所示，AB⊥EF，EF与MN是异面直线，AB∥CM，MN⊥CD.只有①③正确，故选D.6．(文)(2010·山东潍坊)已知m、n是两条不同的直线，α、β、γ是三个不同的平面，则下列命题正确的是()A．若α⊥γ，α⊥β，则γ∥βB．若m∥n，m⊂α，n⊂β，则α∥βC．若m∥n，m∥α，则n∥αD．若m∥n，m⊥α，n⊥β，则α∥β[答案] D[解析]对于选项A，两平面β、γ同垂直于平面α，平面β与平面γ可能平行，也可能相交；对于选项B，平面α、β可能平行，也可能相交；对于选项C，直线n可能与平面α平行，也可能在平面α内；对于选项D，∵m∥n，m⊥α，∴n⊥α，又n⊥β，∴α∥β，故选D.(理)(2010·曲师大附中)已知两个不同的平面α，β和两条不重合的直线a，b，则下列四个命题中为真命题的是()A．若a∥b，b⊂α，则a∥αB．若α⊥β，α∩β＝b，a⊥b，则a⊥βC．若a⊂α，b⊂α，a∥β，b∥β，则α∥βD．若α∥β，a⊄α，a⊄β，a∥α，则a∥β[答案] D[解析]选项A中，直线a可能在平面α内；选项B中，直线a可能在平面β内；选项C 中，直线a ，b 为相交直线时命题才成立．7．(2010·江苏南通)在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，P 、Q 分别是棱AA 1、CC 1的中点，则过点B 、P 、Q 的截面是( )A ．邻边不等的平行四边形B ．菱形但不是正方形C ．邻边不等的矩形D ．正方形 [答案] B[解析] 设正方体棱长为1，连结D 1P ，D 1Q ，则易得PB ＝PQ ＝D 1P ＝D 1Q ＝52，取D 1D 的中点M ，则D 1P 綊AM 綊BQ ，故截面为四边形PBQD 1，它是一个菱形，又PQ ＝AC ＝2，∴∠PBQ 不是直角，故选B.8．(文)(2010·山东日照、聊城模考)已知直线l 、m ，平面α、β，且l ⊥α，m ⊂β，给出下列四个命题：①若α∥β，则l ⊥m ；②若l ⊥m ，则α∥β；③若α⊥β，则l ∥m ；④若l ∥m ，则α⊥β； 其中真命题是( ) A ．①② B ．①③ C ．①④D ．②④[答案] C [解析][点评] 如图，α∩β＝m ，则l ⊥m ，故(2)假；在上述图形中，当α⊥β时，知③假．(理)(2010·福建福州市)对于平面α和共面的直线m ，n ，下列命题是真命题的是( ) A ．若m ，n 与α所成的角相等，则m ∥n B ．若m ∥α，n ∥α，则m ∥nC．若m⊥α，m⊥n，则n∥αD．若m⊂α，n∥α，则m∥n[答案] D[解析]正三棱锥P－ABC的侧棱P A、PB与底面成角相等，但P A与PB相交应排除A；若m∥α，n∥α，则m与n平行、相交或异面，应排除B；若m⊥α，m⊥n，则n∥α或n⊂α，应排除C.∵m、n共面，设经过m、n的平面为β，∵m⊂α，∴α∩β＝m，∵n∥α，∴n∥m，故D正确．9．(文)(2010·北京顺义一中月考)已知l是直线，α、β是两个不同平面，下列命题中的真命题是()A．若l∥α，l∥β，则α∥βB．若α⊥β，l∥α，则l⊥βC．若l⊥α，l∥β，则α⊥βD．若l∥α，α∥β，则l∥β[答案] C[解析]如图在正方体ABCD－A1B1C1D1中，取平面ABD1A1为α，平面ABCD为β，B1C1为l，则排除A、B；又取平面ADD1A1为α，平面BCC1B1为β，B1C1为l，排除D.(理)(2010·广东罗湖区调研)已知相异直线a，b和不重合平面α，β，则a∥b的一个充分条件是()A．a∥α，b∥αB．a∥α，b∥β，α∥βC．a⊥α，b⊥β，α∥βD．α⊥β，a⊥α，b∥β[答案] C[解析]a∥α，b∥α时，a与b可相交可异面也可平行，故A错；a∥α，b∥β，α∥β时，a与b可异面，故B错；由α⊥β，a⊥α得，a∥β或a⊂β，又b∥β，此时a与b可平行也可异面，排除D.10．(2010·日照实验高中)如图，正四棱柱ABCD －A 1B 1C 1D 1中，AA 1＝2，AB ＝1，M ，N 分别在AD 1，BC 上移动，且始终保持MN ∥平面DCC 1D 1，设BN ＝x ，MN ＝y ，则函数y ＝f (x )的图象大致是( )[答案] C[解析] 过M 作ME ⊥AD 于E ，连接EN ，则平面MEN ∥平面DCC 1D 1，所以BN ＝AE ＝x (0≤x <1)，ME ＝2x ，MN 2＝ME 2＋EN 2，则y 2＝4x 2＋1，y 2－4x 2＝1(0≤x <1，y >0)，图象应是焦点在y 轴上的双曲线的一部分．故选C.二、填空题11．(文)如图，在正四棱柱ABCD －A 1B 1C 1D 1中，E 、F 、G 、H 分别是棱CC 1、C 1D 1、D 1D 、DC 的中点，N 是BC 的中点，点M 在四边形EFGH 及其内部运动，则M 满足条件________时，有MN ∥平面B 1BDD 1.[答案] M ∈线段FH[解析] 因为HN ∥BD ，HF ∥DD 1，所以平面NHF ∥平面B 1BDD 1，又平面NHF ∩平面EFGH ＝FH .故线段FH 上任意点M 与N 相连，有MN ∥平面B 1BDD 1，故填M ∈线段FH .(理)(2010·南充市模拟)已知两异面直线a ，b 所成的角为π3，直线l 分别与a ，b 所成的角都是θ，则θ的取值范围是________．[答案] [π6，π2]12．在四面体ABCD 中，M 、N 分别是△ACD 、△BCD 的重心，则四面体的四个面中与MN 平行的是________．[答案] 面ABC 和面ABD[解析] 连结AM 并延长交CD 于点E ，∵M 为△ACD 的重心，∴E 为CD 的中点， 又N 为△BCD 的重心，∴B 、N 、E 三点共线， 由EM MA ＝EN NB ＝12得MN ∥AB ， 因此MN ∥平面ABC ，MN ∥平面ABD .13．如图是一正方体的表面展开图，B 、N 、Q 都是所在棱的中点，则在原正方体中， ①AB 与CD 相交；②MN ∥PQ ；③AB ∥PE ；④MN 与CD 异面；⑤MN ∥平面PQC . 其中真命题的序号是________．[答案] ①②④⑤[解析] 将正方体还原后如图，则N 与B 重合，A 与C 重合，E 与D 重合，∴①、②、④、⑤为真命题．14．如图所示，正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1的棱长为a ，点P 是棱AD 上一点，且AP ＝a3，过B 1，D 1，P 的平面交底面ABCD 于PQ ，Q 在直线CD 上，则PQ ＝________.[答案]223a [解析] ∵B 1D 1∥平面ABCD ，平面B 1D 1P ∩平面ABCD ＝PQ ，∴B 1D 1∥PQ ， 又B 1D 1∥BD ，∴BD ∥PQ ，设PQ ∩AB ＝M ，∵AB ∥CD ，∴△APM ∽△DPQ ，∴PQ PM ＝PDAP＝2，即PQ ＝2PM ， 又△APM ∽△ADP ，∴PM BD ＝AP AD ＝13，∴PM ＝13BD ，又BD ＝2a ，∴PQ ＝223a .三、解答题15．(文)(2010·南京调研)如图，在四棱锥E －ABCD 中，四边形ABCD 为平行四边形，BE ＝EC ，AE ⊥BE ，M 为CE 上一点，且BM ⊥平面ACE .(1)求证：AE ⊥BC ；(2)如果点N 为线段AB 的中点，求证：MN ∥平面ADE .[解析] (1)因为BM ⊥平面ACE ，AE ⊂平面ACE ，所以BM ⊥AE .因为AE ⊥BE ，且BE ∩BM ＝B ，BE 、BM ⊂平面EBC ，所以AE ⊥平面EBC . 因为BC ⊂平面EBC ，所以AE ⊥BC . (2)解法1：取DE 中点H ，连接MH 、AH .因为BM ⊥平面ACE ，EC ⊂平面ACE ，所以BM ⊥EC . 因为BE ＝BC ，所以M 为CE 的中点． 所以MH 为△EDC 的中位线，所以MH 綊12DC .因为四边形ABCD 为平行四边形，所以DC 綊AB . 故MH 綊12AB .因为N 为AB 的中点，所以MH 綊AN .所以四边形ANMH 为平行四边形，所以MN ∥AH . 因为MN ⊄平面ADE ，AH ⊂平面ADE ， 所以MN ∥平面ADE .解法2：取EB 的中点F ，连接MF 、NF .因为BM ⊥平面ACE ，EC ⊂平面ACE ，所以BM ⊥EC . 因为BE ＝BC ，所以M 为CE 的中点，所以MF ∥BC .因为N 为AB 的中点，所以NF ∥AE ， 因为四边形ABCD 为平行四边形， 所以AD ∥BC .所以MF ∥AD .因为NF 、MF ⊄平面ADE ，AD 、AE ⊂平面ADE ， 所以NF ∥平面ADE ，MF ∥平面ADE . 因为MF ∩NF ＝F ，MF 、NF ⊂平面MNF ， 所以平面MNF ∥平面ADE .因为MN ⊂平面MNF ，所以MN ∥平面ADE .(理)(2010·厦门市质检)如图所示的几何体中，△ABC 为正三角形，AE 和CD 都垂直于平面ABC ，且AE ＝AB ＝2，CD ＝1，F 为BE 的中点．(1)若点G 在AB 上，试确定G 点位置，使FG ∥平面ADE ，并加以证明；(2)在(1)的条件下，求三棱锥D －ABF 的体积． [解析] (1)当G 是AB 的中点时，GF ∥平面ADE . ∵G 是AB 的中点，F 是BE 的中点， ∴GF ∥AE ，又GF ⊄平面ADE ，AE ⊂平面ADE ， ∴GF ∥平面ADE . (2)连接CG ，由(1)可知： GF ∥AE ，且GF ＝12AE .又AE ⊥平面ABC ，CD ⊥平面ABC ，∴CD ∥AE ， 又CD ＝12AE ，∴GF ∥CD ，GF ＝CD ，∴四边形CDFG 为平行四边形， ∴DF ∥CG ，且DF ＝CG .又∵AE ⊥平面ABC ，CG ⊂平面ABC ，∴AE ⊥CG . ∵△ABC 为正三角形，G 为AB 的中点， ∴CG ⊥AB ，又AB ∩AE ＝A ，∴CG ⊥平面ABE . 又CG ∥DF ，且CG ＝DF ，∴DF 为三棱锥D －ABF 的高，且DF ＝ 3. 又AE ⊥平面ABC ，AB ⊂平面ABC ，∴AE ⊥AB . ∵在Rt △ABE 中，AB ＝AE ＝2，F 为BE 的中点，∴S △ABF ＝12S △ABE ＝12×12×2×2＝1.∴V D －ABF ＝13S △ABF ·DF ＝13×1×3＝33，∴三棱锥D －ABF 的体积为33. 16．(文)(2010·安徽合肥质检)如图，PO ⊥平面ABCD ，点O 在AB 上，EA ∥PO ，四边形ABCD 为直角梯形，BC ⊥AB ，BC ＝CD ＝BO ＝PO ，EA ＝AO ＝12CD .(1)求证：BC ⊥平面ABPE ；(2)直线PE 上是否存在点M ，使DM ∥平面PBC ，若存在，求出点M ；若不存在，说明理由．[解析] (1)∵PO ⊥平面ABCD ， BC ⊂平面ABCD ，∴BC ⊥PO ，又BC ⊥AB ，AB ∩PO ＝O ，AB ⊂平面ABP ，PO ⊂平面ABP ，∴BC ⊥平面ABP ， 又EA ∥PO ，AO ⊂平面ABP ， ∴EA ⊂平面ABP ，∴BC ⊥平面ABPE . (2)点E 即为所求的点，即点M 与点E 重合． 取PO 的中点N ，连结EN 并延长交PB 于F ， ∵EA ＝1，PO ＝2，∴NO ＝1，又EA 与PO 都与平面ABCD 垂直，∴EF ∥AB ， ∴F 为PB 的中点，∴NF ＝12OB ＝1，∴EF ＝2，又CD ＝2，EF ∥AB ∥CD ，∴四边形DCFE 为平行四边形，∴DE ∥CF ， ∵CF ⊂平面PBC ，DE ⊄平面PBC ， ∴DE ∥平面PBC .∴当M 与E 重合时即可．(理)在长方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，O 为底面正方形的中心，过A 1、C 1、B 三点的平面截去长方体的一个角后，得到如图所示的几何体ABCD －A 1C 1D 1及其三视图．(1)求证：D1O∥平面A1BC1；(2)是否存在过点A1与直线DC1垂直的平面A1PQ，与线段BC1交于点P，与线段CC1交于点Q？若存在，求出线段PQ的长；若不存在，请说明理由．[分析]要证D1O∥平面A1BC1，∵O为DB的中点，∴取A1C1中点E，只须证D1E綊OB，或利用长方体为正四棱柱的特性，证明平面ACD1∥平面A1C1B，假设存在平面A1PQ ⊥DC1，利用正四棱柱中，BC⊥平面DCC1D1，故有BC⊥DC1，从而平面A1PQ与平面BCC1的交线PQ⊥DC1，故只须在面DCC1D1的边CC1上寻找点Q，使D1Q⊥DC1即可．[解析](1)连接AC，AD1，D1C，易知点O在AC上．D1、四边形A1D1CB均为平行四边根据长方体的性质得四边形ABC Array 1形，∴AD1∥BC1，A1B∥D1C，又∵AD1⊄平面A1C1B，BC1⊂平面A1C1B，∴AD1∥平面A1C1B，同理D1C∥平面A1BC1，又∵D1C∩AD1＝D1，∴根据面面平行的判定定理知平面ACD1∥平面A1BC1.∵D1O⊂平面ACD1，∴D1O∥平面A1BC1.(2)假设存在过点A1与直线DC1垂直的平面A1PQ，与线段BC1交于点P，与线段CC1交于点Q.D，过点D1作C1D的垂线交C1C于点Q，过点Q作PQ连接C Array 1∥BC交BC1于点P，连接A1P，A1Q.∵C1D⊥D1Q，C1D⊥A1D1，D1Q∩A1D1＝D1，∴C1D⊥平面A1D1Q.∵A1Q⊂平面A1D1Q，∴C1D⊥A1Q.∵PQ∥BC∥A1D1，∴C1D⊥PQ，∵A1Q∩PQ＝Q，∴C1D⊥平面A1PQ.∴存在过点A1与直线DC1垂直的平面A1PQ，与线段BC1交于点P，与线段CC1交于点Q.在矩形CDD 1C 1中，∵Rt △D 1C 1Q ∽Rt △C 1CD ，∴C 1Q CD ＝D 1C 1C 1C ，结合三视图得C 1Q 2＝24，∴C 1Q ＝1. ∵PQ ∥BC ，∴PQ BC ＝C 1Q CC 1＝14，∴PQ ＝14BC ＝12. 17．(文)(2010·东北师大附中)如图所示，在棱长为2的正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，E 、F 分别为DD 1、DB 的中点．(1)求证：EF ∥平面ABC 1D 1；(2)求证：EF ⊥B 1C ；(3)求三棱锥B 1－EFC 的体积．[解析] (1)证明：连结BD 1，在△DD 1B 中，E 、F 分别为D 1D ，DB 的中点，则EF ∥D 1B ，又EF ⊄平面ABC 1D 1，D 1B ⊂平面ABC 1D 1，∴EF ∥平面ABC 1D 1.(2)证明：∵B 1C ⊥AB ，B 1C ⊥BC 1，AB ∩BC 1＝B ，∴B 1C ⊥平面ABC 1D 1，又BD 1⊂平面ABC 1D 1，∴B 1C ⊥BD 1，又EF ∥BD 1，∴EF ⊥B 1C .(3)解：∵CF ⊥BD ，CF ⊥BB 1，∴CF ⊥平面BDD 1B 1，即CF ⊥平面EFB 1，且CF ＝BF ＝ 2∵EF ＝12BD 1＝3，B 1F ＝BF 2＋BB 12＝(2)2＋22＝6，B 1E ＝B 1D 12＋D 1E 2＝12＋(22)2＝3，∴EF 2＋B 1F 2＝B 1E 2，即∠EFB 1＝90°，∴VB 1－EFC ＝VC －B 1EF ＝13·S △B 1EF ·CF ＝13×12·EF ·B 1F ·CF ＝13×12×3×6×2＝1. (理)(2010·河北唐山)如图，在四棱锥V －ABCD 中，底面ABCD 是矩形，侧棱VA ⊥底面ABCD ，E 、F 、G 分别为VA 、VB 、BC 的中点．(1)求证：平面EFG ∥平面VCD ；(2)当二面角V －BC －A 、V －DC －A 依次为45°、30°时，求直线VB 与平面EFG 所成的角．[解析] (1)∵E 、F 、G 分别为VA 、VB 、BC 的中点，∴EF ∥AB ，FG ∥VC ，又ABCD 是矩形，∴AB ∥CD ，∴EF ∥CD ，又∵EF ⊄平面VCD ，FG ⊄平面VCD ，∴EF ∥平面VCD ，FG ∥平面VCD ，又EF ∩FG ＝F ，∴平面EFG ∥平面VCD .(2)∵VA ⊥平面ABCD ，CD ⊥AD ，∴CD ⊥VD .则∠VDA 为二面角V －DC －A 的平面角，∴∠VDA ＝30°.同理∠VBA ＝45°.作AH ⊥VD ，垂足为H ，由上可知CD ⊥平面VAD ，则AH ⊥平面VCD .∵AB ∥平面VCD ，∴AH 即为B 到平面VCD 的距离．由(1)知，平面EFG ∥平面VCD ，则直线VB 与平面EFG 所成的角等于直线VB 与平面VCD 所成的角，记这个角为θ.∵AH ＝VA sin60°＝32VA ，VB ＝2VA ，∴sin θ＝AH VB ＝64， 故直线VB 与平面EFG 所成的角是arcsin64.。
高中数学立体几何平行、垂直位置关系证明题专项练习(带答案)
立体几何平行、垂直位置关系专练1、如图，四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，//AD BC ，AB AD ⊥，2AD BC =，M 点在线段PD 上，且满足2MD PM =.（1）求证:AB PD ⊥；（2）求证://PB 平面MAC .2、如图，在四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，E 为PA 的中点，F 为BC 的中点，底面ABCD 是菱形，对角线AC ，BD 交于点O ．求证：（1）平面//EFO 平面PCD ；（2）平面PAC ⊥平面PBD ．3、如图，正三棱柱ABC-A 1B 1C 1的高为6，其底面边长为2.已知点M ，N 分别是棱A 1C 1，AC 的中点，点D 是棱CC 1上靠近C 的三等分点．求证：(1)B 1M ∥平面A 1BN ；(2)AD ⊥平面A 1BN.4、如图，等边三角形ABC与直角梯形ABDE所在平面垂直，BD∥AE，BD＝2AE，AE⊥AB，M为AB的中点．(1)证明：CM⊥DE；(2)在边AC上找一点N，使CD∥平面BEN.5、如图，矩形ABCD所在平面与三角形ABE所在平面互相垂直，AE＝AB，M，N，H分别为DE，AB，BE 的中点．求证：(1)MN∥平面BEC；(2)AH⊥CE.6、如图，在三棱台ABCDEF中，CF⊥平面DEF，AB⊥BC.(1)设平面ACE∩平面DEF＝a，求证：DF∥a；(2)若EF＝CF＝2BC，试问在线段BE上是否存在点G，使得平面DFG⊥平面CDE？若存在请确定点G的位置；若不存在，请说明理由．7、在三棱锥S ABC -中，平面SAB ⊥平面SBC ，AB BC ⊥，AS AB =，过A 作AF SB ⊥，垂足为F ，点E ，G 分别是棱SA ，SC 的中点．（1）求证：平面EFG ∥平面ABC ．（2）求证：BC SA ⊥．8、如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB BC ⊥，点D 为棱1C C 的中点，1AC 与1A D 交于点E ，1BC 与1B D 交于点F ，连结EF .求证：（1）//AB EF ；（2）平面11A B D ⊥平面11B BCC .9、【2019年高考江苏卷】如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB =BC ．求证：（1）A 1B 1∥平面DEC 1；（2）BE ⊥C 1E ．点，平面PAB ⊥底面ABCD ，90PAB ∠= ．求证：（1）//PB 平面AEC ；（2）平面PAC ⊥平面ABCD ．11、2.（2020·江苏省镇江高三二模）如图，三棱锥P ABC -中，点D ，E 分别为AB ，BC 的中点，且平面PDE ⊥平面ABC ．()1求证：//AC 平面PDE ；()2若2PD AC ==，PE =PBC ⊥平面ABC .12、（2020·江苏省建湖高级中学高三月考）如图，在四面体ABCD 中，,90AD BD ABC =∠= ，点,E F 分别为棱,AB AC 上的点，点G 为棱AD 的中点，且平面//EFG 平面BCD ．（1）求证：12EF BC =；（2）求证：平面EFD ⊥平面ABC ．点，PA ⊥平面ABCD .（1）求证：//PB 平面AEC ；（2）若四边形ABCD 是矩形且PA AD =，求证：AE ⊥平面PCD .14、（2020·江苏省高三二模）如图，在三棱柱111ABC A B C -中，侧面11ABB A ⊥底面ABC ，AB AC ⊥，E ，F 分别是棱AB ，BC 的中点.求证：（1）11AC ∥平面1B EF ；（2）1AC B E ⊥.15、（2020·江苏省连云港高三）如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 为矩形，平面PAD ⊥平面ABCD ，PA PD ⊥，PA PD =，E 、F 分别为AD 、PB 的中点.（Ⅰ）求证：PE BC ⊥；（Ⅱ）求证：平面PAB ⊥平面PCD ；（Ⅲ）求证：//EF 平面PCD .16、（2020·江苏省苏州高三）如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB =BC ．求证：（1）A1B 1∥平面DEC 1；（2）BE ⊥C 1E ．17、（2020·江苏省通州高三）如图，在三棱柱111ABC A B C -中，侧棱垂直于底面1,2,1,,AB BC AA AC BC E F ⊥===分别是11,AC BC 的中点．（1）求证: 平面ABE ⊥平面11B BCC ；（2）求证:1C F ∥平面ABE ；18、（2020·江苏省高三三模）如图，三棱柱111ABC A B C -中，1BC B C =，O 为四边形11ACC A 对角线交点，F 为棱1BB 的中点，且AF ⊥平面11BCC B .（1）证明：//OF 平面ABC ；（2）证明：四边形11ACC A 为矩形.参考答案1．如图，四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，//AD BC ，AB AD ⊥，2AD BC =，M 点在线段PD 上，且满足2MD PM =.（1）求证:AB PD ⊥；（2）求证://PB 平面MAC .【解析】（1）∵四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，AB 平面ABCD ， ∴AB PA ⊥，又AB AD ⊥，,PA AD ⊂平面PAD ，PA AD A ⋂=， ∴AB ⊥面PAD .PD ⊂面PAD ，∴AB PD ⊥. （2）连结BD AC O ⋂=，连结MO ， ∵//AD BC ，2AD BC =，2DO BO ∴=,∵在PBD ∆中，2DM MP =，2DO BO =∴//PB MO ， 又PB ⊄面MAC ，MO ⊂面MAC ，∴//PB 面MAC .2．如图，在四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，E 为PA 的中点，F 为BC 的中点，底面ABCD 是菱形，对角线AC ，BD 交于点O ．求证：（1）平面//EFO 平面PCD ；（2）平面PAC ⊥平面PBD ． 【详解】（1）因为在ΔPAC 中，E 为PA 的中点，O 为AC 的中点， 所以//EO PC又EO ⊄平面PCD ，PC ⊂平面PCD ， 所以//EO 平面PCD同理可证，//FO 平面PCD ，又EO FO O = ，EO ⊂平面EFO ,FO ⊂平面EFO 所以平面//EFO 平面PCD ．（2）因为PA ⊥平面ABCD ，BD ⊂平面ABCD ， 所以PA BD ⊥因为底面ABCD 是菱形，所以AC BD ⊥，又,,PA AC A PA PAC AC PAC =⊂⊂ 平面平面所以BD ⊥平面PAC 。
高考数学二轮复习考点知识专题讲解12---立体几何中的平行与垂直问题(含解析)
高考数学二轮复习考点知识专题讲解专题 12 立体几何中的平行与垂直问题【自主热身，归纳总结】1、 设 α，β 为互不重合的平面，m，n 是互不重合的直线，给出下列四个命题：⊂ ①若 m∥n，n α，则 m∥α； ⊂ ⊂ ②若 m α，n α，m∥β，n∥β，则 α∥β； ⊂ ⊂ ③若 α∥β，m α，n β，则 m∥n； ⊂ ④若 α⊥β，α∩β＝m，n α，n⊥m，则 n⊥β.其中正确命题的序号为________． 【答案】.④ 【解析】：对于①，直线 m 可能在平面 α 内，故①错误；对于②，没有 m 与 n 相交的条件，故②错误；对 于③，m 与 n 也可能异面，故③错误． 2、已知平面 α，β，直线 m，n，给出下列命题： ①若 m∥α，n∥β，m⊥n，则 α⊥β； ②若 α∥β，m∥α，n∥β，则 m∥ n； ③若 m⊥α，n⊥β，m⊥n，则 α⊥β； ④若 α⊥β，m⊥α，n⊥β，则 m⊥n. 其中是真命题的是________(填序号)． 【答案】③④ 如图，在正方体 ABCDA1B1C1D1 中，CD∥平面 ABC1D1，BC∥平面 ADC1B1，且 BC⊥CD，又因为平面 ABC1D1 与平面 ADC1B1 不垂直，故①不正确；因为平面 ABCD∥平面 A1B1C1D1，且 B1C1∥平面 ABCD，AB∥平面 A1B1C1D1，但 AB 与 B1C1 不平行，故②不正确．同理，我们以正方体的模型来观察，可得③④正确．3、若 α，β 是两个相交平面，则在下列命题中，真命题的序号为________(写出所有真命题的序号)． ①若直线 m⊥α，则在平面 β 内，一定不存在与直线 m 平行的直线； ②若直线 m⊥α，则在平面 β 内，一定存在无数条直线与直线 m 垂直；⊂ ③若直线 m α，则在平面 β 内，不一定存在与直线 m 垂直的直线； ⊂ ④若直线 m α，则在平面 β 内，一定存在与直线 m 垂直的直线．【答案】：②④1 / 16⊂ 4、已知 α，β 是两个不同的平面，l，m 是两条不同的直线，l⊥α，m β.给出下列命题： ⇒ ⇒ ①α∥β l⊥m； ②α⊥β l∥m； ⇒ ⇒ ③m∥α l⊥β； ④l⊥β m∥α.其中正确的命题是________(填．写．所．有．正．确．命．题．的．序．号．)． 【答案】： ①④⊂ 【解析】：①由 l⊥α，α∥β，得 l⊥β，又因为 m β，所以 l⊥m； ⊂ ⊂ ②由 l⊥α，α⊥β，得 l∥β 或 l β，又因为 m β，所以 l 与 m 或异面或平行或相交；③由 l⊥α，m∥α，得 l⊥m.因为 l 只垂直于 β 内的一条直线 m，所以不能确定 l 是否垂直于 β；⊂ ④由 l⊥α，l⊥β，得 α∥β.因为 m β，所以 m∥α.5、 设 b， c 表示两条直线，α，β 表示两个平面，现给出下列命题：⊂ ⊂ ①若 b α，c∥α，则 b∥c；②若 b α，b∥c，则 c∥α；③若 c∥α，α⊥β，则 c⊥β；④若 c∥α，c⊥β，则 α⊥β.其中正确的命题是________．(写出所有正确命题的序号)【答案】： ④⊂ ⊂ 【解析】：①b 和 c 可能异面，故①错；②可能 c α，故②错；③可能 c∥β，c β，故③错；④根据面面垂直判定 α⊥β，故④正确．6、在所有棱长都相等的三棱锥 P-ABC 中，D，E，F 分别是 AB，BC，CA 的中点，下列四个命题：(1) BC∥平面 PDF；(2) DF∥平面 PAE；(3) 平面 PDF⊥平面 ABC；(4) 平面 PDF⊥平面 PAE.其中正确命题的序号为________．【答案】：(1)(4)【解析】 由条件可证 BC∥DF，则 BC∥平面 PDF，从而(1)正确；因为DF 与 AE 相交，所以(2)错误；取 DF 中点 M(如图)，则 PM⊥DF，且可证 PM 与 AE 不垂直，所以(3)错误；而 DM⊥PM，DM⊥AM，⊂ 则 DM⊥平面 PAE.又 DM 平面 PDF，故平面 PDF⊥平面 PAE，所以(4)正确．综上所述，正确命题的序号为(1) (4)．2 / 167、在正方体 ABCD-A1B1C1D1 中，点 M，N 分别在 AB1，BC1 上(M，N 不与 B1，C1 重合)，且 AM＝BN，那么①AA1 ⊥MN；②A1C1∥MN；③MN∥平面 A1B1C1D1；④MN 与 A1C1 异面．以上 4 个结论中，正确结论的序号是________． 【答案】：①③ 【解析】 过 M 作 MP∥AB 交 BB1 于 P，连接 NP，则平面 MNP∥平面 A1C1，所以 MN∥平面 A1B1C1D1，又 AA1⊥平 面 A1B1C1D1，所以 AA1⊥MN.当 M 与 B1 重合，N 与 C1 重合时，则 A1C1 与 MN 相交，所以①③正确．【问题探究，变式训练】 :例 1、如图，在直三棱柱 ABCA1B1C1 中，AB＝AC，E 是 BC 的中点，求证： (1) 平面 AB1E⊥平面 B1BCC1； (2) A1C∥平面 AB1E.⊂ 【解析】： (1) 在直三棱柱 ABCA1B1C1 中，CC1⊥平面 ABC.因为 AE 平面 ABC，所以 CC1⊥AE因为 AB＝AC，E 为 BC 的中点，所以 AE⊥BC.⊂ ⊂ 因为 BC 平面 B1BCC1，CC1 平面 B1BCC1，且 BC∩CC1＝C，所以 AE ⊥平面 B1BCC1.⊂ 因为 AE 平面 AB1E，所以平面 AB1E⊥平面 B1BCC1 (2) 如图，连结 A1B，设 A1B∩AB1＝F，连结 EF.在直三棱柱 ABCA1B1C1 中，四边形 AA1B1B 为平行四边形，所以 F 为 A1B 的中点．又因为 E 是 BC 的中点，所以 EF∥A1C⊂ ⊄ 因为 EF 平面 AB1E，A1C 平面 AB1E，3 / 16所以 A1C∥平面 AB1E.【变式 1】、【如图，在三棱锥 PABC 中，AB⊥PC，CA＝CB，M 是 AB 的中点，点 N 在棱 PC 上，点 D 是 BN 的中点．求证： (1) MD∥平面 PAC；⊂ 又因为 CE 平面 BEC，所以 AH⊥CE.(14 分) 【变式 6】、如图，正三棱柱 ABCA1B1C1 的高为 6，其底面边长为 2.已知点 M，N 分别是棱 A1C1，AC 的中点，点 D 是棱 CC1 上靠近 C 的三等分点．求证： (1) B1M∥平面 A1BN； (2) AD⊥平面 A1BN.【解析】： (1) 如图，连结 MN，在正三棱柱 ABCA1B1C1 中，四边形 A1ACC1 是矩形．因为 M，N 分别是棱 A1C1，AC 的中点， 所以四边形 A1ANM 也是矩形，从而 MN∥A1A.(2 分) 又因为 A1A∥B1B，所以 MN ∥B1B. 所以四边形 B1BNM 是平行四边形，则 B1M∥BN.(4 分)⊄ ⊂ 因为 B1M 平面 A1BN，BN 平面 A1BN,所以 B1M∥平面 A1BN.(6 分)⊂ (2) 在正三棱柱 ABCA1B1C1 中，AA1⊥平面 ABC，BN 平面 ABC，所以 AA1⊥BN.因为 N 是正三角形 ABC 的边 AC 的中点，所以 AC⊥BN.⊂ 又因为 A1A∩AC＝A，A1A，AC 平面 A1ACC1，所以 BN⊥平面 A1ACC1. ⊂ 因为 AD 平面 A1ACC1，所以 BN⊥AD.(10 分)4 / 166 63 在平面 A1ACC1 中，tan∠A1NA·tan∠DAC＝ 1 · 2 ＝1，所以∠A1NA 与∠DAC 互余，得 AD⊥A1N.(12 分)⊂ 因为 AD⊥BN，AD⊥A1N，BN∩A1N＝N，且 A1N，BN 平面 A1BN，所以 AD⊥平面 A1BN.(14 分) 【关联 1】、 如图，正三棱柱 A1B1C1-ABC 中，点 D，E 分别是 A1C，AB 的中点．(1) 求证：ED∥平面 BB1C1C；(2) 若 AB＝ 2BB1，求证：A1B⊥平面 B1CE.【解析】 (1) 连结 AC1，BC1，因为 AA1C1C 是矩形，D 是 A1C 的中点，所以 D 是 AC1 的中点．(2 分)在△ABC1 中，因为 D，E 分别是 AC1，AB 的中点，所以 DE∥BC1.(4 分)⊄ ⊂ 因为 DE 平面 BB1C1C，BC1 平面 BB1C1C，所以 ED∥平面 BB1C1C.(6 分)(2) 因为△ABC 是正三角形，E 是 AB 的中点，所以 CE⊥AB.⊂ 又因为正三棱柱 A1B1C1ABC 中，平面 ABC⊥平面 ABB1A1，平面 ABC∩平面 ABB1A1＝AB，CE 平面 ABC，所以 CE⊥平面 ABB1A1.从而 CE⊥A1B.(9 分)在矩形 ABB1A1 中，因为AB11BB1＝ 2＝BB1EB，所以 Rt△A1B1B∽Rt△B1BE，从而∠B1A1B＝∠BB1E.因此∠B1A1B＋∠A1B1E＝∠BB1E＋∠A1B1E＝90°，所以 A1B⊥B1E.⊂ 又因为 CE，B1E 平面 B1CE，CE∩B1E＝E，所以 A1B⊥平面 B1CE.(14 分)例 2、如图，在四棱锥 P − ABCD 中， （1）若 PB = PD ，求证： PC ⊥ BD ； （2）求证： CE //平面 PAD ．， CB = CD ，点 E 为棱 PB 的中点．5 / 16， 【解析】： 证明：（1）取 BD 的中点 O ，连结 CO PO ，因为 CD = CB ，所以△ CBD 为等腰三角形，所以 BD ⊥ CO ． 因为 PB = PD ，所以△ PBD 为等腰三角形，所以 BD ⊥ PO ．又，所以 BD ⊥ 平面 PCO ．因为 PC ⊂ 平面 PCO ，所以 PC ⊥ BD ．（2）由 E 为 PB 中点，连 EO ，则 EO ∥ PD ，又 EO ⊄ 平面 PAD ，所以 EO ∥ 平面 PAD ．由，以及 BD ⊥ CO ，所以 CO ∥ AD ，又 CO ⊄ 平面 PAD ，所以 CO ∥ 平面 PAD ．又，所以平面 CEO ∥ 平面 PAD ，而 CE ⊂ 平面 CEO ，所以 CE ∥ 平面 PAD ．【变式 1】、如图，在三棱锥 A－BCD 中，E，F 分别为棱 BC，CD 上的点，且 BD∥平面 AEF．（1）求证：EF∥平面 ABD；（2）若 BD⊥CD，AE⊥平面 BCD，求证：平面 AEF⊥平面 ACD．【解析】：（1）因为 BD∥平面 AEF，6 / 16BD平面 BCD，平面 AEF∩平面 BCD＝EF， 所以 BD∥EF． 因为 BD平面 ABD，EF平面 ABD， 所以 EF∥平面 ABD． （2）因为 AE⊥平面 BCD，CD平面 BCD， 所以 AE⊥CD． 因为 BD⊥CD，BD∥EF， 所以 CD⊥EF， 又 AE∩EF＝E，AE平面 AEF，EF平面 AEF， 所以 CD⊥平面 AEF． 又 CD平面 ACD， 所以 平面 AEF⊥平面 ACD．【变式 2】、如图，在四棱锥 P − ABCD 中，底面 ABCD 是矩形，点 E 在棱 PC 上(异于点 P ，C )，平面 ABE与棱 PD 交于点 F ．∥ （1）求证： AB EF ；（2）若平面 PAD ⊥ 平面 ABCD ，求证： AF ⊥ EF ． PF DE CA第题 B( 16 )【变式 3】、如图，在四棱锥 P − ABCD 中，底面 ABCD 是矩形，平面 PAD⊥平面 ABCD，AP=AD， M，N 分别为棱 PD，PC 的中点．7 / 16求证：（1）MN∥平面 PAB； （2）AM⊥平面 PCD．【解析】（1）因为 M，N 分别为棱 PD，PC 的中点， 所以 MN∥DC， 又因为底面 ABCD 是矩形，所以 AB∥DC， 所以 MN∥AB． 又 AB ⊂ 平面 PAB ， MN ⊄ 平面 PAB， 所以 MN∥平面 PAB． （2）因为 AP=AD，M 为 PD 的中点， 所以 AM⊥PD． 因为平面 PAD⊥平面 ABCD， 又平面 PAD∩平面 ABCD= AD， 又因为底面 ABCD 是矩形，所以 CD⊥AD，又 CD ⊂ 平面 ABCD， 所以 CD⊥平面 PAD． 又 AM ⊂ 平面 PAD，所以 CD ⊥AM．因为 CD， PD ⊂ 平面 PCD，，所以 AM⊥平面 PCD． 【易错警示】立几的证明必须严格按教材所给的公理、定理、性质作为推理的理论依据，严禁生造定理， 在运用定理证明时必须在写全定理的所有条件下，才有相应的结论，否则会影响评卷得分.【变式 4】、 如图，在四棱锥 PABCD 中，底面 ABCD 为平行四边形，E 为侧棱 PA 的中点．(1) 求证：PC∥平面 BDE； (2) 若 PC⊥PA，PD＝AD，求证：平面 BDE⊥平面 PAB.8 / 16易错警示 在立体几何中，一定要用课本中允许的有关定理进行推理论证，在进行推理论证时，一定要将 定理的条件写全，不能遗漏，否则，在评分时将予以扣分，高考阅卷对立体几何题证明的规范性要求较 高．【关联 1】、如图，在四棱锥 PABCD 中，AB∥CD，AC⊥BD，AC 与 BD 交于点 O，且平面 PAC⊥平面 ABCD，E 为棱 PA 上一点． (1) 求证：BD⊥OE； (2) 若 AB＝2CD，AE＝2EP，求证：EO∥平面 PBC.⊂ 【解析】(1) 因为平面 PAC⊥ 平面 ABCD，平面 PAC∩ 平面 ABCD＝AC，BD⊥AC，BD 平面 ABCD，所以 BD⊥平面 PAC.⊂ 又因为 OE 平面 PAC，所以 BD⊥OE.(6 分)9 / 16(2) 因为 AB∥CD，AB＝2CD，AC 与 BD 交于点 O， 所以 CO∶OA＝CD∶AB＝1∶2. 又因为 AE＝2EP，所以 CO∶OA＝PE∶EA， 所以 EO∥PC.⊂ ⊄ 又因为 PC 平面 PBC，EO 平面 PBC，所以 EO∥平面 PBC.(14 分)【关联 2】、如图，在直三棱柱 ABC-A1B1C1 中，CA＝CB，AA1＝ 2AB，D 是 AB 的中点．(1) 求 证：BC1∥平面 A1CD； 1(2) 若点 P 在线段 BB1 上，且 BP＝4BB1，求证：AP⊥平面 A1CD.【解析】 (1)连结 AC1，交 A1C 于点 O，连结 OD. 因为四边形 AA1C1C 是矩形，所以 O 是 AC1 的中点. (2 分) 在△ABC1 中， O，D 分别是 AC1，AB 的中点， 所以 OD∥BC1. (4 分)⊂ ⊄ 又因为 OD 平面 A1CD，BC1 平面 A1CD，所以 BC1∥平面 A1CD.(6 分) (2) 因为 CA＝CB，D 是 AB 的中点，所以 CD⊥AB﹒ 又因为在直三棱柱 ABC－A1B1C1 中，底面 ABC⊥侧面 AA1B1B，交线为 AB，⊂CD 平面 ABC，所以 CD⊥平面 AA1B1B﹒ (8 分) ⊂ 因为 AP 平面 A1B1BA，所以 CD⊥AP. (9 分)1 因为 BB1＝AA1＝ 2BA ，BP＝4BB1，BP 2 AD 所以BA＝ 4 ＝AA1，所以 Rt△ABP∽Rt△A1AD， 从而∠AA1D＝∠BAP， 所以∠AA1D＋∠A1AP＝∠BAP＋∠A1AP＝90°， 所以 AP⊥A1D.(12 分)⊂ ⊂ 又因为 CD∩A1D＝D，CD 平面 A1CD，A1D 平面 A1CD，10 / 16所以AP⊥平面A 1CD.(14分)【关联3】、如图，在三棱锥PABC 中，平面PAB⊥平面ABC，PA⊥PB，M，N 分别为AB，PA 的中点．(1) 求证：PB∥平面MNC；(2) 若AC＝BC，求证：PA⊥平面MNC.【解析】 (1) 因为M，N 分别为AB，PA 的中点，所以MN∥PB.(2分)因为MN ⊂平面MNC，PB ⊄平面MNC,所以PB∥平面MNC.(4分)(2) 因为PA⊥PB，MN∥PB，所以PA⊥MN.(6分) 因为AC＝BC，AM＝BM，所以CM⊥AB. (8分)因为平面PAB⊥平面ABC，CM ⊂平面ABC，平面PAB∩平面ABC＝AB，所以CM⊥平面PAB. (12分) 因为PA ⊂平面PAB，所以CM⊥PA.因为PA⊥MN，MN ⊂平面MNC，CM ⊂平面MNC，MN∩CM＝M，所以PA⊥平面MNC. (14分)【关联4】、如图，已知四棱锥PABCD 的底面ABCD 是平行四边形，PA⊥平面ABCD，M 是AD 的中点，N 是PC 的中点．(1) 求证：MN∥平面PAB；(2) 若平面PMC⊥平面PAD，求证：CM⊥AD.【解析】 (1) 如图，取PB 的中点E，连结AE，NE. 因为E，N 分别是PB，PC 的中点，所以EN∥BC 且EN＝12BC.因为底面ABCD 是平行四边形，M 是AD 的中点，所以AM∥BC 且AM＝12BC，(3分)所以EN∥AM 且EN＝AM，四边形AMNE 是平行四边形，所以MN∥AE，(5分)因为MN ⊄平面PAB，AE ⊂平面PAB，所以MN∥平面PAB.(7分)(2) 如图，在平面PAD 内，过点A 作AH⊥PM，垂足为H.因为平面PMC⊥平面PAD，平面PMC∩平面PAD＝PM，因为AH ⊂平面PAD，AH⊥PM，所以AH⊥平面PMC，从而AH⊥CM.(10分) 因为PA⊥平面ABCD，CM⊂平面ABCD， 所以PA⊥CM.(12分)因为PA∩AH＝A，PA，AH⊂平面PAD， 所以CM⊥平面PAD，因为AD ⊂平面PAD，所以CM⊥AD.(14分)例3、如图，在直三棱柱ABC-A 1B 1C 1中，D 为棱BC 上一点． (1) 若AB＝AC，D 为棱BC的中点，求证：平面ADC 1⊥平面BCC 1B 1； (2) 若A 1B∥平面ADC 1，求BD DC【解析】： (1) 因为AB＝AC，点D 为BC 中点，所以AD⊥BC.(2分) 因为ABC-A 1B 1C 1 是直三棱柱，所以BB 1⊥平面ABC. 因为AD ⊂平面ABC，所以BB 1⊥AD.(4分) 因为BC∩BB 1＝B，BC ⊂平面BCC 1B 1，BB 1⊂平面BCC 1B 1， 所以AD⊥平面BCC 1B 1.因为AD ⊂平面ADC 1，所以平面ADC 1⊥平面BCC 1B 1.(6分)(2) 连结A 1C，交AC 1于O，连结OD，所以O 为AC 1中点．(8分)因为A 1B∥平面ADC 1，A 1B ⊂平面A 1BC，平面ADC 1∩平面A 1BC＝OD，所以A 1B∥OD.(12分)因为O 为AC 1中点，所以D 为BC 中点， 所以BD DC＝1.(14分)【变式1】、如图，在四面体ABCD 中，AB＝AC＝DB＝DC，点E 是BC 的中点，点F 在线段AC 上，且AF AC＝λ. (1) 若EF∥平面ABD，求实数λ的值；(2) 求证：平面BCD⊥平面AED.【解析】 (1) 因为EF∥平面ABD，EF ⊂平面ABC，平面ABC∩平面ABD＝AB，所以EF∥AB.(3分) 又E 是BC 的中点，点F 在线段AC 上，所以F 为AC 的中点． 由AF AC ＝λ得λ＝12.(6分)(2) 因为AB＝AC＝DB＝DC，E 是BC 的中点，所以BC⊥AE，BC⊥DE.(9分)又AE∩DE＝E，AE，DE ⊂平面AED，所以BC⊥平面AED.(12分)而BC ⊂平面BCD，所以平面BCD⊥平面AED.(14分)【变式2】、如图，在四棱锥PABCD 中，AD＝CD＝12AB，AB∥DC，AD⊥CD，PC⊥平面ABCD. (1) 求证：BC⊥平面PAC；(2) 若M 为线段PA 的中点，且过C，D，M 三点的平面与PB 交于点N，求PN∶PB 的值．【解析】 (1) 连结AC.不妨设AD＝1.因为AD＝CD＝12AB，所以CD＝1，AB＝2. 因为∠ADC＝90°，所以AC＝2，∠CAB＝45°.在△ABC 中，由余弦定理得BC＝2，所以AC 2＋BC 2＝AB 2. 所以BC⊥AC.(3分)因为PC⊥平面ABCD，BC⊂平面ABCD，所以BC⊥PC.(5分) 因为PC ⊂平面PAC，AC⊂平面PAC，PC∩AC＝C， 所以BC⊥平面PAC.(7分) (2) 因为AB∥DC，CD⊂平面CDMN，AB ⊄平面CDMN， 所以AB∥平面CDMN.(9分) 因为AB ⊂平面PAB，平面PAB∩平面CDMN＝MN， 所以AB∥MN.(12分)在△PAB 中，因为M 为线段PA 的中点， 所以N 为线段PB 的中点，即PN∶PB 的值为12.(14分)【关联1】、 如图，在三棱锥PABC 中，D 为AB 的中点． (1) 与BC 平行的平面PDE 交AC 于点E，判断点E 在AC 上的位置并说明理由； (2) 若PA＝PB，且锐角三角形PCD 所在平面与平面ABC 垂直，求证：AB⊥PC.【解析】(1) E 为AC的中点．理由如下： 平面PDE 交AC 于点E，即平面PDE∩平面ABC＝DE， 而BC∥平面PDE，BC⊂平面ABC，所以BC∥DE.(4分) 在△ABC 中，因为D 为AB 的中点，所以E 为AC 的中点．(7分) (2) 因为PA＝PB，D为AB 的中点，所以AB⊥PD， 如图，在锐角三角形PCD 所在平面内过点P 作PO⊥CD 于点O，因为平面PCD⊥平面ABC，平面PCD∩平面ABC ＝CD，所以PO⊥平面ABC.(10分)因为AB⊂平面ABC，所以PO⊥AB.又PO∩PD＝P，PO，PD⊂平面PCD，所以AB⊥平面PCD.又PC⊂平面PCD，所以AB⊥PC.(14分)【关联2】、 如图，在四棱锥PABCD中，底面ABCD是菱形，且PB＝PD.(1) 求证：BD⊥PC；(2) 若平面PBC与平面PAD的交线为l，求证：BC∥l.【解析】 (1) 如图，连结AC，交BD于点O，连结PO.因为四边形ABCD为菱形，所以BD⊥AC.(2分)又因为O为BD的中点，PB＝PD，所以BD⊥PO.(4分)又因为AC∩PO＝O，所以BD⊥平面APC.又因为PC⊂平面APC，所以BD⊥PC.(7分)(2) 因为四边形ABCD为菱形，所以BC∥AD.(9分)因为AD⊂平面PAD，BC⊄平面PAD，所以BC∥平面PAD.(11分)又因为BC⊂平面PBC，平面PBC∩平面PAD＝l.所以BC∥l.(14分)【关联3】、如图，在三棱锥PABC中，已知平面PBC⊥平面ABC.(1) 若AB⊥BC，CP⊥PB，求证：CP⊥PA：(2) 若过点A作直线l⊥平面ABC，求证：l∥平面PBC.。
高中数学立体几何平行、垂直位置关系证明题专项练习(带答案)
立体几何平行、垂直位置关系专练1、如图，四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，//AD BC ，AB AD ⊥，2AD BC =，M 点在线段PD 上，且满足2MD PM =.（1）求证:AB PD ⊥；（2）求证://PB 平面MAC .2、如图，在四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，E 为PA 的中点，F 为BC 的中点，底面ABCD 是菱形，对角线AC ，BD 交于点O ．求证：（1）平面//EFO 平面PCD ；（2）平面PAC ⊥平面PBD ．3、如图，正三棱柱ABC-A 1B 1C 1的高为6，其底面边长为2.已知点M ，N 分别是棱A 1C 1，AC 的中点，点D 是棱CC 1上靠近C 的三等分点．求证：(1)B 1M ∥平面A 1BN ；(2)AD ⊥平面A 1BN.4、如图，等边三角形ABC与直角梯形ABDE所在平面垂直，BD∥AE，BD＝2AE，AE⊥AB，M为AB的中点．(1)证明：CM⊥DE；(2)在边AC上找一点N，使CD∥平面BEN.5、如图，矩形ABCD所在平面与三角形ABE所在平面互相垂直，AE＝AB，M，N，H分别为DE，AB，BE 的中点．求证：(1)MN∥平面BEC；(2)AH⊥CE.6、如图，在三棱台ABCDEF中，CF⊥平面DEF，AB⊥BC.(1)设平面ACE∩平面DEF＝a，求证：DF∥a；(2)若EF＝CF＝2BC，试问在线段BE上是否存在点G，使得平面DFG⊥平面CDE？若存在请确定点G的位置；若不存在，请说明理由．7、在三棱锥S ABC -中，平面SAB ⊥平面SBC ，AB BC ⊥，AS AB =，过A 作AF SB ⊥，垂足为F ，点E ，G 分别是棱SA ，SC 的中点．（1）求证：平面EFG ∥平面ABC ．（2）求证：BC SA ⊥．8、如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB BC ⊥，点D 为棱1C C 的中点，1AC 与1A D 交于点E ，1BC 与1B D 交于点F ，连结EF .求证：（1）//AB EF ；（2）平面11A B D ⊥平面11B BCC .9、【2019年高考江苏卷】如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB =BC ．求证：（1）A 1B 1∥平面DEC 1；（2）BE ⊥C 1E ．点，平面PAB ⊥底面ABCD ，90PAB ∠= ．求证：（1）//PB 平面AEC ；（2）平面PAC ⊥平面ABCD ．11、2.（2020·江苏省镇江高三二模）如图，三棱锥P ABC -中，点D ，E 分别为AB ，BC 的中点，且平面PDE ⊥平面ABC ．()1求证：//AC 平面PDE ；()2若2PD AC ==，PE =PBC ⊥平面ABC .12、（2020·江苏省建湖高级中学高三月考）如图，在四面体ABCD 中，,90AD BD ABC =∠= ，点,E F 分别为棱,AB AC 上的点，点G 为棱AD 的中点，且平面//EFG 平面BCD ．（1）求证：12EF BC =；（2）求证：平面EFD ⊥平面ABC ．点，PA ⊥平面ABCD .（1）求证：//PB 平面AEC ；（2）若四边形ABCD 是矩形且PA AD =，求证：AE ⊥平面PCD .14、（2020·江苏省高三二模）如图，在三棱柱111ABC A B C -中，侧面11ABB A ⊥底面ABC ，AB AC ⊥，E ，F 分别是棱AB ，BC 的中点.求证：（1）11AC ∥平面1B EF ；（2）1AC B E ⊥.15、（2020·江苏省连云港高三）如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 为矩形，平面PAD ⊥平面ABCD ，PA PD ⊥，PA PD =，E 、F 分别为AD 、PB 的中点.（Ⅰ）求证：PE BC ⊥；（Ⅱ）求证：平面PAB ⊥平面PCD ；（Ⅲ）求证：//EF 平面PCD .16、（2020·江苏省苏州高三）如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB =BC ．求证：（1）A1B 1∥平面DEC 1；（2）BE ⊥C 1E ．17、（2020·江苏省通州高三）如图，在三棱柱111ABC A B C -中，侧棱垂直于底面1,2,1,,AB BC AA AC BC E F ⊥===分别是11,AC BC 的中点．（1）求证: 平面ABE ⊥平面11B BCC ；（2）求证:1C F ∥平面ABE ；18、（2020·江苏省高三三模）如图，三棱柱111ABC A B C -中，1BC B C =，O 为四边形11ACC A 对角线交点，F 为棱1BB 的中点，且AF ⊥平面11BCC B .（1）证明：//OF 平面ABC ；（2）证明：四边形11ACC A 为矩形.参考答案1．如图，四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，//AD BC ，AB AD ⊥，2AD BC =，M 点在线段PD 上，且满足2MD PM =.（1）求证:AB PD ⊥；（2）求证://PB 平面MAC .【解析】（1）∵四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，AB 平面ABCD ， ∴AB PA ⊥，又AB AD ⊥，,PA AD ⊂平面PAD ，PA AD A ⋂=， ∴AB ⊥面PAD .PD ⊂面PAD ，∴AB PD ⊥. （2）连结BD AC O ⋂=，连结MO ， ∵//AD BC ，2AD BC =，2DO BO ∴=,∵在PBD ∆中，2DM MP =，2DO BO =∴//PB MO ， 又PB ⊄面MAC ，MO ⊂面MAC ，∴//PB 面MAC .2．如图，在四棱锥P ABCD -中，PA ⊥平面ABCD ，E 为PA 的中点，F 为BC 的中点，底面ABCD 是菱形，对角线AC ，BD 交于点O ．求证：（1）平面//EFO 平面PCD ；（2）平面PAC ⊥平面PBD ． 【详解】（1）因为在ΔPAC 中，E 为PA 的中点，O 为AC 的中点， 所以//EO PC又EO ⊄平面PCD ，PC ⊂平面PCD ， 所以//EO 平面PCD同理可证，//FO 平面PCD ，又EO FO O = ，EO ⊂平面EFO ,FO ⊂平面EFO 所以平面//EFO 平面PCD ．（2）因为PA ⊥平面ABCD ，BD ⊂平面ABCD ， 所以PA BD ⊥因为底面ABCD 是菱形，所以AC BD ⊥，又,,PA AC A PA PAC AC PAC =⊂⊂ 平面平面所以BD ⊥平面PAC 。
立体几何专题复习(自己精心整理)
专题一证明平行垂直问题题型一证明平行关系(1）如图所示,在正方体ABCD－A1B1C1D1中，M，N分别是C1C，B1C1的中点．求证：MN∥平面A1BD。
（2）在正方体AC1中,M，N，E，F分别是A1B1，A1D1,B1C1，C1D1的中点，求证：平面AMN∥平面EFDB.思考题1（1）如图所示，平面PAD⊥平面ABCD，ABCD为正方形，△PAD是直角三角形，且PA＝AD＝2，E,F,G分别是线段PA,PD,CD的中点，求证：平面EFG∥平面PBC.（2)如图,在四面体A－BCD中，AD⊥平面BCD，BC⊥CD，AD＝2,BD＝22，M是AD的中点，P是BM的中点，点Q在线段AC上，且AQ＝3QC.求证：PQ∥平面BCD。
题型二证明垂直关系(微专题)微专题1:证明线线垂直(1）已知空间四边形OABC中，M为BC中点，N为AC中点，P为OA中点，Q为OB中点，若AB＝OC。
求证：PM⊥QN.（2)(2019·山西太原检测）如图,直三棱柱ABC－A1B1C1中，AA1＝AB＝AC＝1，E，F分别是CC1,BC的中点，AE⊥A1B1，D为棱A1B1上的点，求证:DF⊥AE。
微专题2：证明线面垂直（3）在正方体ABCD－A1B1C1D1中,求证:BD1⊥平面ACB1.(4)（2019·河南六市一模）在如图所示的几何体中，ABC－A1B1C1为三棱柱，且AA1⊥平面ABC，四边形ABCD为平行四边形，AD＝2CD，∠ADC＝60°.若AA1＝AC，求证：AC1⊥平面A1B1CD。
微专题3：证明面面垂直（5)已知正方体ABCD－A1B1C1D1中，E，F分别是BB1，CD的中点,求证:平面DEA⊥平面A1FD1.（6)如图，四边形ABCD为正方形,PD⊥平面ABCD，PD∥QA，QA＝AB＝错误!PD，求证:平面PQC⊥平面DCQ。
思考题2(1)(2019·北京东城区模拟)如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD是正方形，侧棱PD⊥底面ABCD,PD＝DC，E是PC的中点,作EF⊥BP交BP于点F，求证：PB⊥平面EFD。
立体几何平行垂直问题专题复习
立体几何平行垂直问题专题复习一、平面平行问题1. 平行线基础定义平行线是在同一平面内不相交的两条直线。
两条平行线之间的距离是它们之间所有直线段中最短的。
平行线符号为“||”。
2. 垂直平分线垂直平分线是将一条线段分成两个相等的部分，并且垂直于线段的线。
3. 平行四边形平行四边形是指两组相互平行的边构成的四边形，它的对边长度相等，对边平等，对角线互相平分。
4. 平行线判定定理对于两条直线l, m以及平面内的任意一条直线n，若n与l平行，则n与m 平行；若n与l垂直，则n与m垂直。
5. 平行线和对角线的关系平行线所构成的平行四边形的对角线互相平分。
二、垂直问题1. 垂线基础定义垂线是指与一条直线或平面呈直角的线段。
2. 垂线距离垂线距离是垂线所代表的点到直线的最短距离。
3. 垂心垂心是指在三角形的一个顶点下，作该点到对边的垂线并与对边相交的点。
4. 直角三角形直角三角形是指三角形中有一角为90度的。
5. 正方体中垂直面的距离正方体中两个垂直面的距离为边长。
三、立体几何应用问题1. 立方体立方体的六个面都是正方形。
每个面都有相同的面积，边长相等。
2. 长方体长方体是指六个面中有一个面是长方形，其余五个面都是正方形。
3. 圆柱体圆柱体是指由一个矩形和两个相等的圆所组成的立体，其中矩形是圆柱体的腰，两个圆为圆柱体的顶底面。
4. 圆锥体圆锥体是由一个圆和一个尖端共同组成的立体，圆锥体的侧面是一条射线和圆的切线。
圆锥体中心角为360度。
5. 球体球体是由一个半径相等的圆旋转所得到的立体，其表面上所有点到球心的距离都是相等的。
以上就是关于立体几何中的平行垂直问题专题复习的内容，包括了平面平行问题、垂直问题、立体几何应用问题，希望对大家在学习立体几何时有所帮助。
2024年高考数学复习大题全题型专练：专题08 立体几何垂直平行的证明(解析版)
专题8立体几何平行垂直的证明一、解答题1．（2022·全国·高考真题（理））如图，四面体ABCD 中，,,AD CD AD CD ADB BDC ，E 为AC 的中点．(1)证明：平面BED 平面ACD ；(2)设2,60AB BD ACB ，点F 在BD 上，当AFC △的面积最小时，求CF 与平面ABD 所成的角的正弦值．【答案】(1)证明过程见解析(2)CF 与平面ABD 【解析】【分析】（1）根据已知关系证明ABD CBD ≌△△，得到AB CB ，结合等腰三角形三线合一得到垂直关系，结合面面垂直的判定定理即可证明；（2）根据勾股定理逆用得到BE DE ，从而建立空间直角坐标系，结合线面角的运算法则进行计算即可.(1)因为AD CD ，E 为AC 的中点，所以AC DE ；在ABD △和CBD 中，因为,,B A C D CD ADB DB DB D ，所以ABD CBD ≌△△，所以AB CB ，又因为E 为AC 的中点，所以AC BE ；又因为,DE BE 平面BED ，DE BE E ，所以AC 平面BED ，因为AC 平面ACD ，所以平面BED 平面ACD .(2)连接EF ，由（1）知，AC 平面BED ，因为EF 平面BED ，所以AC EF ，所以1=2AFC S AC EF △，当EF BD 时，EF 最小，即AFC △的面积最小.因为ABD CBD ≌△△，所以2CB AB ，又因为60ACB ，所以ABC 是等边三角形，因为E 为AC 的中点，所以1AE EC ，BE ，因为AD CD ，所以112DE AC ,在DEB 中，222DE BE BD ，所以BE DE .以E 为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系E xyz ，则1,0,0,,0,0,1A B D ，所以1,0,1,AD AB ，设平面ABD 的一个法向量为 ,,n x y z ，则00n AD x z n AB x，取yn ，又因为31,0,0,4C F，所以34CF，所以cos ,n CF n CF n CF 设CF 与平面ABD 所成的角的正弦值为02，所以sin cos ,n CF 所以CF 与平面ABD2．（2022·全国·高考真题）如图，PO 是三棱锥P ABC 的高，PA PB ，AB AC ，E 是PB的中点．(1)证明：//OE 平面PAC ；(2)若30ABO CBO ，3PO ，5PA ，求二面角C AE B 的正弦值．【答案】(1)证明见解析(2)1113【解析】【分析】（1）连接BO 并延长交AC 于点D ，连接OA 、PD ，根据三角形全等得到OA OB ，再根据直角三角形的性质得到AO DO ，即可得到O 为BD 的中点从而得到//OE PD ，即可得证；（2）过点A 作//Az OP ，如图建立平面直角坐标系，利用空间向量法求出二面角的余弦值，再根据同角三角函数的基本关系计算可得；(1)证明：连接BO 并延长交AC 于点D ，连接OA 、PD ，因为PO 是三棱锥P ABC 的高，所以PO 平面ABC ，,AO BO 平面ABC ，所以PO AO 、PO BO ，又PA PB ，所以POA POB △△，即OA OB ，所以OAB OBA ，又AB AC ，即90BAC ，所以90OAB OAD ，90OBA ODA ，所以ODA OAD所以AO DO ，即AO DO OB ，所以O 为BD 的中点，又E 为PB 的中点，所以//OE PD ，又OE 平面PAC ，PD 平面PAC ，所以//OE 平面PAC(2)解：过点A 作//Az OP ，如图建立平面直角坐标系，因为3PO ，5AP ，所以224OA AP PO ，又30OBA OBC ，所以28BD OA ，则4 AD，AB 所以12AC，所以 2,0O， B， 2,3P ， 0,12,0C，所以32E，则32AE，AB ， 0,12,0AC ，设平面AEB 的法向量为 ,,n x y z，则3020n AE y z n AB，令2z ，则3y ，0x ，所以 0,3,2n ；设平面AEC 的法向量为 ,,m a b c，则302120m AE b c m AC b，令a 6c ，0b，所以6m ；所以cos ,13n m n m n m 设二面角C AE B 为 ，由图可知二面角C AE B 为钝二面角，所以cos 13，所以11sin 13 故二面角C AE B 的正弦值为1113；3．（2022·全国·高考真题（理））在四棱锥P ABCD 中，PD底面,,1,2,ABCD CD AB AD DC CB AB DP ∥．(1)证明：BD PA ；(2)求PD 与平面PAB 所成的角的正弦值．【答案】(1)证明见解析；【解析】【分析】（1）作DE AB 于E ，CF AB 于F ，利用勾股定理证明AD BD ，根据线面垂直的性质可得PD BD ，从而可得BD 平面PAD ，再根据线面垂直的性质即可得证；（2）以点D 为原点建立空间直角坐标系，利用向量法即可得出答案.(1)证明：在四边形ABCD 中，作DE AB 于E ，CF AB 于F ，因为//,1,2CD AB AD CD CB AB ，所以四边形ABCD 为等腰梯形，所以12AE BF，故32DE ，BD 所以222AD BD AB ，所以AD BD ，因为PD 平面ABCD ，BD 平面ABCD ，所以PD BD ，又PD AD D ，所以BD 平面PAD ，又因PA 平面PAD ，所以BD PA ；(2)解：如图，以点D 为原点建立空间直角坐标系，BD ，则 1,0,0,,0,0,A B P ，则,0,,AP BP DP ，设平面PAB 的法向量 ,,n x y z ，则有0{0n AP x n BP，可取 n ，则cos ,5n DP n DP n DP所以PD 与平面PAB4．（2022·青海·海东市第一中学模拟预测（理））如图，在三棱柱111ABC A B C 中，11222A C AA AB AC BC ，160BAA．(1)证明：平面ABC 平面11AA B B ．(2)设P 是棱1CC 的中点，求AC 与平面11PA B 所成角的正弦值．【答案】(1)证明见解析【解析】【分析】（1）设2AB，由余弦定理求出1A B 1A B AB ，1A B BC ，进而证明出线面垂直，面面垂直；（2）建立空间直角坐标系，利用空间向量求解线面角的正弦值.(1)设2AB ．在四边形11AA B B 中，∵12AA AB ，160BAA ，连接1A B ，∴由余弦定理得2221112cos6012A B AA AB AA AB，即1A B ∵22211A B AB AA ，∴1A B AB ．又∵22211A B BC A C ，∴1A B BC ，AB BC B ，∴1A B 平面ABC ，∵1A B 平面11AA B B ，∴平面ABC 平面11AA B B ．(2)取AB 中点D ，连接CD ，∵AC BC ，∴CD AB ，由（1）易知CD 平面11AA B B，且CD 如图，以B 为原点，分别以射线BA ，1BA 为x ，y 轴的正半轴，建立空间直角坐标系B -xyz，则(2,0,0)A，1A，C，1(B，1(C，P ．11(2,0,0)A B，1(0,A P ，设平面11PA B 的法向量为(,,)n x y z ，则11100n A B n A P，得200x ，令1y ，则取(0,1,1)n ，퐴 =(−1,0,3)，||cos ,4||||AC n AC n AC n ，AC 与平面11PA B5．（2022·青海·海东市第一中学模拟预测（文））如图，在四棱锥P ABCD 中，平面PCD 平面ABCD ，PCD 为等边三角形，22CD AB，AD ，90BAD ADC ，M 是棱PC 上一点．(1)若2MC MP ，求证：//AP 平面MBD ．(2)若MC MP ，求点P 到平面BDM 的距离．【答案】(1)证明见解析(2)223【解析】【分析】（1）连接AC ，记AC 与BD 的交点为H ，连接MH ，先证明//AP MH ，再由线面平行的判定定理即可证明.（2）由等体积法B DMP P BMD V V ，即可求出点P 到平面BDM 的距离.(1)连接AC ，记AC 与BD 的交点为H ，连接MH ．由90BAD ADC ，得//AB CD ，12AB AH CD HC ，又12PM MC ，则AH PM HC MC，∴//AP MH ，又MH 平面MBD ，PA 平面MBD ，∴//AP 平面MBD ．(2)由已知易得BD DM BM ，所以在等边BMD 中，BM 边上的高为32h，所以BMD 的面积为1333224BMD S △，易知三棱锥B PDM 的体积为1161326B DMP V ，又因为B DMP P BMD V V ，所以点P 到平面BDM的距离为33P BMD BMD V d S △．6．（2021·上海市建平中学模拟预测）如图，三棱锥P ABC ，侧棱2PA ，底面三角形ABC 为正三角形，边长为2，顶点P 在平面ABC 上的射影为D ，有AD DB ，且1DB.(1)求证：//AC 平面PDB ；(2)求二面角P AB C --的余弦值.【答案】(1)证明见解析；(2)217.【解析】【分析】（1）证明//DB AC ，原题即得证；（2）以D 为原点，AD 方向直线为x 轴，DB 为y 轴，DP 为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法求解.(1)解：因为AD DB ，且1DB ，2AB，所以AD 所以60DBA ．因为ABC 为正三角形，所以60CAB ，又由已知可知ACBD 为平面四边形，所以//DB AC ．因为AC 平面PDB ，DB 平面PDB ，所以//AC 平面PDB ．(2)解：由点P 在平面ABC 上的射影为D 可得PD 平面ACBD ，所以PD DA ，PD DB ．如图，以D 为原点，AD 方向直线为x 轴，DB 为y 轴，DP 为z 轴，建立空间直角坐标系，则由已知可知(0B ，1，0)，(A 0，0)，(0P ，0，1)，(C ，2，0)．平面ABC 的法向量(0n ，0，1)，所以(1,0),(0,1,1)BA BP,设(m x ，y ，)z 为平面PAB 的一个法向量，则由00m BA m BP，得00y y z ，令1x，则yz 所以平面PAB 的一个法向量(1m，，所以21cos ,7n m ，由图象知二面角P AB C --是钝二面角，所以二面角P AB C --的余弦值为7.7．（2022·内蒙古·赤峰红旗中学松山分校模拟预测（理））如图，在四棱锥P —ABCD 中，底面ABCD 为正方形，PD 底面ABCD ，M 为线段PC 的中点，PD AD ，N 为线段BC上的动点．(1)证明：平面MND 平面PBC(2)当点N 在线段BC 的何位置时，平面MND 与平面PAB 所成锐二面角的大小为30°？指出点N 的位置，并说明理由．【答案】(1)证明见解析(2)点N 在线段BC 的中点【解析】【分析】（1）由PD 底面ABCD ，可得PD BC ，而CD BC ，可证得BC 平面PCD ，从而得BC DM ，而DM PC ，所以DM 平面PBC ，再由面面垂直的判定定理可得结论，（2）设1PD AD ，以D 为原点，以,,DA DC DP 所在的直线分别为,,x y z 轴建立空间直角坐标系，然后利用空间向量求解即可(1)证明：因为PD 底面ABCD ，BC 底面ABCD ，所以PD BC ，因为CD BC ，CD PD D ∩，所以BC 平面PCD ，因为DM 平面PCD ，所以BC DM ，因为四边形ABCD 为正方形，PD AD ，所以PD CD ，因为在PDC △中，PD CD ，M 为线段PC 的中点，所以DM PC ，因为PC BC C ，所以DM 平面PBC ，因为DM 平面DMN ，所以平面MND 平面PBC ，(2)当点N 在线段BC 的中点时，平面MND 与平面PAB 所成锐二面角的大小为30°，理由如下：因为PD 底面ABCD ，, DA DC 平面ABCD ，所以,PD DA PD DC ，因为DA DC ，所以,,DA DC DP 两两垂直，所以以D 为原点，以,,DA DC DP 所在的直线分别为,,x y z 轴建立空间直角坐标系，如图所示，设1PD AD ，则11(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,0,1),(0,1,0),0,,22D A B P C M，设(,1,0)(01)N ，则11(1,0,1),(0,1,0),(,1,0),0,,22AP AB DN DM，设(,,)m x y z 为平面PAB 的法向量，则00m AP x z m AB y ，令1x ，则�=(1,0,1)，设(,,)n a b c为平面MND 的法向量，则011022n DN a b n DM b c，令1a ，则(1,,)n ，因为平面MND 与平面PAB 所成锐二面角的大小为30°，所以cos ,2m n m n m n ，化简得24410 ，得12 ，所以当点N 在线段BC 的中点时，平面MND 与平面PAB 所成锐二面角的大小为30°8．（2022·四川·成都七中模拟预测（理））如图1，在边上为4的菱形ABCD 中，60DAB ，点M ，N 分别是边BC ，CD 的中点，1AC BD O ，AC MN G ．沿MN 将CMN △翻折到PMN 的位置，连接PA ，PB ，PD ，得到如图2所示的五棱锥P ABMND．(1)在翻折过程中是否总有平面PBD 平面PAG ？证明你的结论；(2)当四棱锥P MNDB 体积最大时，求直线PB 和平面MNDB 所成角的正弦值；(3)在（2）的条件下，在线段PA 上是否存在一点Q ，使得二面角Q MN P余弦值的绝对值为10？若存在，试确定点Q 的位置；若不存在，请说明理由．【答案】(1)在翻折过程中总有平面PBD 平面PAG ，证明见解析(3)Q 存在且Q 为线段PA 的中点【解析】【分析】（1）证明出BD 平面PAG ，进而证明面面垂直；（2）找到当PG 平面MNDB 时，四棱锥P MNDB 体积最大，直线PB 和平面MNDB 所成角的为PBG ，求出PG ，BG PB ，从而求出PBG 的正弦值；（3）建立空间直角坐标系，利用空间向量和二面角的大小，列出方程，确定点Q 的位置(1)在翻折过程中总有平面PBD 平面PAG ，证明如下：∵点M ，N 分别是边CD ，CB 的中点，又60DAB ，∴BD MN ∥，且PMN 是等边三角形，∵G 是MN 的中点，∴MN PG ，∵菱形ABCD 的对角线互相垂直，∴BD AC ，∴MN AC ，∵AC PG G ，AC 平面PAG ，PG 平面PAG ，∴MN 平面PAG ，∴BD 平面PAG ，∵BD 平面PBD ，∴平面PBD 平面PAG ．(2)由题意知，四边形MNDB 为等腰梯形，且4DB ，2MN ，1O G所以等腰梯形MNDB 的面积 242S 要使得四棱锥P MNDB 体积最大，只要点P 到平面MNDB 的距离最大即可，∴当PG 平面MNDB 时，点P 到平面MNDB此时四棱锥P MNDB 体积的最大值为133V ，直线PB 和平面MNDB 所成角的为PBG ，连接BG ，在直角三角形PBG 中，PG BG ，由勾股定理得：PB .sin PG PBG PB(3)假设符合题意的点Q 存在．以G 为坐标原点，GA ，GM ，GP 所在直线分别为x 轴、y 轴、z轴，建立如图所示空间直角坐标系，则 A ， 0,1,0M ， 0,1,0N， P ，由（2）知，AG PG ，又AG MN ，且MN PG G ，MN 平面PMN ，PG 平面PMN ，AG 平面PMN ，故平面PMN 的一个法向量为�1=1,0,0，设AQ AP （01 ≤≤），∵ AP，AQ，故1 ，∴ 0,2,0NM，1,1,QM ，平面QMN 的一个法向量为 2222,,n x y z，则20n NM ，20n QM ，即222220,10,y x y z 令21z ，所以 220,31y x211,0,1,0,313131n，则平面QMN 的一个法向量 ,0,31n ，设二面角Q MN P 的平面角为 ，则11cos n n n n 12 ，故符合题意的点Q 存在且Q 为线段PA 的中点．9．（2022·全国·模拟预测）在四棱锥P ABCD 中，PA 平面ABCD ，四边形ABCD 是矩形，1,,2AB AP ADE F 分别是AP BC ，的中点．(1)求证：//EF 平面PCD ；(2)求二面角C EF D 的余弦值．【答案】(1)证明见解析(2)31010【解析】【分析】（1）根据平行四边形，可得线线平行，进而可证明线面平行.（2）根据空间向量，计算法向量，利用法向量的夹角求二面角.(1)证明：取DP 的中点G ，连接EG ，CG ，又E 是AP 的中点，所以EG AD ∥，且12EG A D =．因为四边形ABCD 是矩形，所以BC AD 且//BC AD ，所以12EG BC，且//EG BC ．因为F 是BC 的中点，所以12CF BC ，所以EG CF 且//EG CF ，所以四边形EFCG 是平行四边形，故//EF CG ．因为EF 平面PCD ，CG 平面PCD ，所以//EF 平面PCD ．(2)因为PA 平面ABCD ，四边形ABCD 是矩形，所以AB ，AD ，AP 两两垂直，以点A 为坐标原点，直线AB ，AD ，AP 分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系（如图所示）．设122AB AP AD ，所以2AB AP ，4AD BC ．因为E ，F 分别为AP ，BC 的中点，所以 2,4,0C ， 0,4,0D ， 0,0,1E ，2,2,0F 所以 2,2,1EF ， 2,2,0DF ， 0,2,0CF ．设平面CEF 的一个法向量为�=�1,�1,�1，由0,0,m EF m CF即1111220,20.x y z y 令11x ，则12z ，10y ，所以 1,0,2m ．设平面DEF 的一个法向量为 222,,n x y z r ，由0,0,n EF n DF即22222220,220.x y z x y 令21x ，则21y ，24z ，所以 1,1,4n ．所以cos ,m n m n m n 由图知二面角C EF D 为锐角，所以二面角C EF D 10．（2022·内蒙古·乌兰浩特一中模拟预测（文））如图在梯形中，//BC AD ，22AB AD BC ，23ABC ，E 为AD 中点，以BE 为折痕将ABE △折起，使点A 到达点P 的位置，连接,PD PC ，(1)证明：平面PED 平面BCDE ；(2)当2PC 时，求点D 到平面PEB 的距离.【答案】(1)证明见解析(2)2【解析】【分析】（1）首先根据题意易证BE ED ，BE PE ，从而得到BE 平面PED ，再根据面面垂直的判定即可证明平面PED 平面BCDE .（2）利用三棱锥等体积转换求解即可.(1)在梯形ABCD 中，23ABC ，所以3BAE ，在ABE △中，2AB ，1AE ，所以BE 所以222AE BE AB ，即2AEB∠，梯形ABCD 为直角梯形.因为BE ED ，BE PE ，PE ED E ∩，所以BE 平面PED ，又因为BE 平面BCDE ，所以平面PED 平面BCDE .(2)因为平面PED 平面BCDE ED ，CD ED ，所以CD 平面PED ，又PD 平面PED ，所以CD PD ，所以1PD ，即PED V 为等边三角形.取ED 的中点F ，连接PF ，如图所示：因为PE PD ，F 为ED 中点，所以PF ED .因为平面PED 平面BCDE ED ，PF ED ，所以PF 平面EBCD ，因为PF 112EBD PEB S S △△设D 到平面PEB 的距离为h ，因为D PEB P EBD V V ，所以1313332322h ，解得32h .即点D 到平面PEB 的距离为2.11．（2022·全国·南京外国语学校模拟预测）如图，在三棱台111ABC A B C 中，AB AC ，4AB AC ，1112A A A B ，侧棱1A A 平面ABC ，点D 是棱1CC 的中点．(1)证明：平面1BB C 平面1AB C ；(2)求二面角C BD A 的正弦值．【答案】(1)证明见解析【解析】【分析】（1）先根据线面垂直的性质与判定证明1AC BB ，再根据勾股定理证明11AB BB ，进而根据线面垂直得到1BB 平面1AB C ，从而根据面面垂直的判定证明即可（2）A 为坐标原点，AB ，AC ，1AA 的所在的直线分别为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系，再分别求解平面,ABD CBD 的一个法向量，进而得到面面角的正弦即可(1)证明：因为1A A 平面ABC ，AC 平面ABC ，所以1AA AC ，又AB AC ，1AA AB A ∩，1AA ，AB Ì平面11ABB A ，所以AC 平面11ABB A ．又1BB 平面11ABB A ，所以1AC BB ．又因为1AB1BB ，所以22211AB AB BB ，所以11AB BB ．又1AB AC A ∩，1AB ，AC 平面1AB C ，所以1BB 平面1AB C ，因为1BB 平面1BB C ，所以平面1BB C 平面1AB C ．(2)以A 为坐标原点，AB ，AC ，1AA的所在的直线分别为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系，如图所示．因为4AB AC ，111112A A A B A C ，所以 0,0,0A ， 4,0,0B ， 0,4,0C ， 10,2,2C ， 0,3,1D ．设平面ABD 的一个法向量为 1111,,x n y z ，设平面CBD 的一个法向量为 2222,,n x y z ，且 4,0,0AB ， 0,3,1AD ，4,4,0CB ， 0,1,1CD ，因为110,0,AB n AD n 所以1110,30,x y z 令11y ，则10x ，13z ，所以 10,1,3n ．又因为220,0.CB n CD n 所以22220,0,x y y z 令21x ，则21y ，21z ，所以 21,1,1 n ．所以12121230cos ,15n n n n n n ．设二面角C BD A 的大小为，则sin 15 ，所以二面角C BD A12．（2022·青海·模拟预测（理））如图，在四棱锥A -BCDE 中，底面BCDE 为矩形，M 为CD 中点，连接BM ，CE 交于点F ，G 为△ABE 的重心．(1)证明：//GF 平面ABC(2)已知平面ABC ⊥BCDE ，平面ACD ⊥平面BCDE ，BC =3，CD =6，当平面GCE 与平面ADE 所成锐二面角为60°时，求G 到平面ADE 的距离．【答案】(1)证明见解析【解析】(1)延长EG 交AB 于N ，连接NC ,因为G 为△ABE 的重心，所以点N 为AB 的中点，且2EG GN ,因为//CM BE ,故CMF EBF ∽,所以2EF BE CF CM,故EF EG CF GN ，故//GF NC ,而NC 平面ABC ，GF 平面ABC,故//GF 平面ABC ；(2)由题意知，平面ABC ⊥平面BCDE ，平面ABC ∩平面BCDE=BC ，DC BC ,DC 平面BCDE ，故DC 平面ABC,AC 平面ABC,则DC AC ,同理BC AC ，又,,BC DC C BC DC ∩平面BCDE,所以AC 平面BCDE ，以C 为原点，以CB,CD,CA 所在直线分别为x,y,z 轴，建立空间直角坐标系，设点G 到平面BCDE 的距离为(0)t t ，则(0,0,3),(3,0,0),(3,6,0),(2,2,),(0,6,0)A t B E G t D ，故(2,2,),(3,6,0),(0,6,3),(3,0,0)CG t CE AD t DE ,设平面GCE 的法向量为111(,,)m x y z ，则00m CG m CE，即11111220360x y tz x y ，取11y ，则112,,2,z x t 即2(2,1,m t，设平面ADE 的法向量为222(,,)n x y z ，则00n AD n DE，即22263030y tz x ，取22z ，则2y t ，则(0,,2)n t ，所以4||||1cos 602||||t m n t m n，解得212,t t ，又(2,4,DG ，故点G 到平面ADE的距离为||||DG n d n 13．（2022·北京市第九中学模拟预测）如图，在四棱锥P ABCD 中，底面ABCD 是边长为2的正方形，△PAB 为正三角形，且侧面PAB ⊥底面ABCD ，M 为PD的中点．(1)求证：PB //平面ACM ；(2)求直线BM 与平面PAD 所成角的正弦值；(3)求二面角C PA D 的余弦值．【答案】(1)证明见解析；(3)277.【解析】【分析】（1）连接BD AC N ∩，连MN ，证明//PB MN ，再利用线面平行的判定推理作答.（2）（3）取AB 中点O ，连PO ，证明PO 平面ABCD ，以点O 为原点建立空间直角坐标系，借助空间向量求线面角的正弦，二面角的余弦作答.(1)连接BD AC N ∩，连MN ，如图，正方形ABCD 中，N 为BD 的中点，而M 为PD的中点，则//PB MN ，而MN 平面ACM ，PB 平面ACM ，所以//PB 平面ACM .(2)取AB 中点O ，连PO ，如图，正PAB △中，PO AB，因侧面PAB 底面ABCD ，侧面PAB 底面ABCD AB ，PO 侧面PAB ，则PO 平面ABCD ，在平面ABCD 内过O 作Oy AB ，则射线,,OB Oy OP 两两垂直，以点O 为原点，射线,,OB Oy OP 分别为x ，y ，z 轴非负半轴建立空间直角坐标系，则13(1,0,0),(1,0,0),(1,2,0),(,1,),(1,2,0)22B A D P M C，3(0,2,0),(,1,)22AD AP BM ，设平面PAD 的法向量111(,,)m x y z，则111200m AD y m AP x，令11z，得(m ，设直线BM 与平面PAD 所成角为，则||sin |cos ,|||||m BM m BM m BM 所以直线BM 与平面PAD 所成角的正弦值是32.(3)由（2）知，퐴 =(2,2,0)，设平面CPA 的法向量222(,,)n x y z，则22222200n AC x y n AP x ，令21z，得(n ，于是得cos ,||||m n m n m n C PA D 大小为锐角，所以二面角C PA D的余弦值为7.14．（2022·浙江·三模）如图，四面体ABCD 的棱AB Ì平面,CD 23,cos cos 3AB AC AD BAC BAD．(1)证明：平面ABC 平面ABD ；(2)若平面ABC 与平面 所成锐二面角的正切值为12，线段CD 与平面 相交，求平面ACD 与平面 所成锐二面角的正切值．【答案】(1)证明见解析(2)6【解析】【分析】（1）作CM AB 于M ，通过余弦定理解三角形得到CM MD ，即可证得CM 平面ABD ，即可证得平面ABC 平面ABD ；（2）作DG 于G ，CH 于H ，求出1,2CH HM ，1,2MG DG ，延长,DC GH 交于点N ，连接AN ，作GK AN 于K ，平面ACD 与平面 所成锐二面角即DKG ，通过解三角形计算出tan DKG 即可.(1)作CM AB 于M ，连接DM ，则cos 2AM AC CAB ，2225CM AC AM ，则2222cos 9485DM AD AM AD AM BAD ，则222AD AM DM ，故DM AB ．又22210MD MC CD ，则CM MD ，又AB DM M ，,AB DM 平面ABD ，故CM 平面ABD ，又CM 平面ABC ，则平面ABC 平面ABD ．(2)作DG 于G ，CH 于H ，由（1）知CM AB ，又CM CH C ，,CM CH 平面CHM ，则AB 平面CHM ，又MH 平面CHM ，则MG AB ，又DM AB ，同理可得AB 平面GDM ，MH AB ，则,,G H M 三点共线．由平面ABC 与平面 所成锐二面角的正切值为12，则1tan 2CMH ，又5CM ，则1,2CH HM ．又CM MD ，则π2CMH DMG ，5DM ，则1,2MG DG ．延长,DC GH 交于点N ，连接AN ，作GK AN 于K ，易得DG AN ，又DG GK G ，,DG GK 平面DGK ，则AN 平面DGK ，又DK 平面DGK ，则AN DK ，则平面ACD 与平面 所成锐二面角即DKG ．又12CH DG，则3GH HN ，又2AM ，则5,29MN AN ，故212sin 62929GK GN GNK ，故29tan 6DG DKG GK ．15．（2022·内蒙古·海拉尔第二中学模拟预测（理））已知四棱锥S ABCD 中，四边形ABCD 为菱形，SAB SBA ，.SD AB (1)求证：ABD △是等边三角形；(2)22SA SD AD ，求SC 与平面SAD 所成角的正弦值.【答案】(1)证明见解析42【解析】【分析】（1）取AB 的中点O ，连接SO 、OD ，证明出AB 平面SDO ，可得出AB DO ，可得出AD BD ，再利用菱形的性质可证得结论成立；（2）证明出SO DO ，以点O 为坐标原点，OA 、OD 、OS 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系，利用空间向量法可求得SC 与平面SAD 所成角的正弦值.(1)证明：取AB 的中点O ，连接SO 、OD ，因为SAB SBA ，O 为AB 的中点，则SO AB ，因为SD AB ，SO SD S ∩，AB 平面SDO ，OD ∵平面SDO ，则 OD AB ，故AD BD ，因为四边形ABCD 为菱形，则AB AD ，所以，AD AB BD ，因此，ABD △为等边三角形.(2)解：由已知SA SB ，2AB ，则222SA SB AB ，SA SB ，O ∵为AB 的中点，所以，112SO AB ，因为ABD △是边长为2的等边三角形，则2sin3DO ，因为2SD ，则222SO DO SD ，SO DO ，因为AB 平面SDO ，以点O 为坐标原点，OA 、OD 、OS 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立如下图所示的空间直角坐标系，则 1,0,0A、 D、C 、 0,0,1S ，设平面SAD 的法向量为 ,,n x y z，AD ， 1,0,1AS ，则00n AD x n AS x z，取xn，1SC，cos ,14SC n SC n SC n .因此，SC 与平面SAD.16．（2022·宁夏中卫·三模（理））如图1，菱形ABCD 中，60A ，4AB ，DE AB 于E ，将AED 沿DE 翻折到A ED ，使A E BE ，如图2．(1)求三棱锥C A BD 的体积；(2)在线段A D 上是否存在一点F ，使EF ∥平面A BC ？若存在，求DF FA 的值；若不存在，说明理由．【答案】(2)存在，1DF FA .【解析】【分析】（1）利用线面垂直的判定定理证明A E 平面EBCD ，再利用等体积法及棱锥的体积公式计算即可.（2）设线段A D 的中点为F ，线段A C 的中点为G ，先证明四边形EBGF 为平行四边形，再利用线面平行的判定定理证明//EF 平面A BC ，即可得出结论.(1)解：由题可知在菱形ABCD 中，60A ，4AB BC CD DA ，DE AB ，故2AE EB ED ，所以在四棱锥A EBCD 中，A E ED EB ED A E EB ，，，又ED EB E ，所以A E 平面EBCD ，且2A E AE ，连接BD ，因为4,60BC CD BCD 则142BCD S所以112333C A BD A BCD BCD V V AE S .故棱锥C A BD 的体积为3.(2)解：设线段A D 的中点为F ，线段A C 的中点为G ，连接EF FG GB 、、，因为点F 为A D 的中点，点G 为A C 的中点，所以1//,22FG DC FG DC ，又由（1）得，//,2EB DC EB ，所以//,FG EB FG EB ，所以四边形EBGF 为平行四边形，故//,EF BG EF BG ,又EF 平面A BC ，BG 平面A BC ，所以//EF 平面A BC ，此时点F 为A D 的中点，故1DF FA .17．（2022·广东茂名·二模）如图，四棱锥P ﹣ABCD 的底面是等腰梯形，AD ∥BC ，BC =2AD ，60ABC ，E 是棱PB 的中点，F 是棱PC 上的点，且A 、D 、E 、F 四点共面．(1)求证：F 为PC 的中点；(2)若△PAD 为等边三角形，二面角P AD B 的大小为120 ，求直线BD 与平面ADFE 所成角的正弦值．【答案】(1)证明见解析(2)4【解析】【分析】（1）先由线面平行的判定定理证明AD ∥平面PBC ，再根据线面平行的性质定理即可证明EF ∥AD ,即可证明结论；（2）建立空间直角坐标系，求得相关各点坐标，求得平面ADFE 的法向量，根据向量的夹角公式即可求得答案.(1)证明：四棱锥P ﹣ABCD 中，AD ∥BC ，BC ⊂平面PBC ，∴AD ∥平面PBC ．由题意A 、D 、E 、F 四点共面，平面ADFE ∩平面PBC =EF ，∴AD ∥EF ，而AD ∥BC ，∴EF ∥BC ，∵E 是棱PB 的中点，∴F 为PC 中点．(2)如图，以BC 为x 轴，连接BC 中点O 和AD 中点G ,以OG 为y 轴，过点O 作垂直于平面ABCD 的直线作为z 轴，建立如图所示空间直角坐标系，因为AB =CD ，BC =2AD ，60ABC设AD =a ，则BC =2a ，AB CD a ，所以,(,0),(,0,0),(,,0),(,0,0)22a a OG A B a D C a ，3(,0),(,0,0)2BD a AD a ，因为△PAD 为等边三角形，所以PG ⊥AD ，由题意知OG AD ,所以∠PGO 为二面角P AD B 的平面角，又二面角P AD B 的大小为120 ，所以120PGO ，因为PG ⊥AD ，GO ⊥AD ，,,PG GO G PG GO ∩平面PGO ，所以AD ⊥平面PGO ，过P 作PH 垂直于y 轴于点H ，因为PH ⊂平面PGO ，所以AD ⊥PH ，又PH ⊥GH ，,GH AD 平面ABCD ，GH AD G ∩，所以PH 垂直于平面ABCD ，且60PGH ,33333,,22244PG aPH a a GH a，OH OG GH a a a ，∴30,,44P a a ，因为E ，F 分别为PB ，PC 的中点，所以333333(,,),(,,),(0,,)2882883883a a E a a F a a AE a a ，设平面ADFE 的法向量为(,,)n x y z，则00n AE n AD，所以3080az ax，取z =1，n ，设BD 与平面ADFE 所成角为θ，则332sin |cos ,|4a BD n ，即直线BD 与平面ADFE所成角的正弦值为4．18．（2022·安徽省舒城中学三模（理））在四棱锥P ABCD 中，PAB △为正三角形，四边形ABCD 为等腰梯形，M 为棱AP 的中点，且2224AB AD BC CD，DM 퐴 =14퐴.(1)求证：平面ODM 平面ABCD ；(2)求直线AP 与平面PBC 所成角的正弦值.【答案】(1)证明见解析；【解析】【分析】（1）E 为AB 中点，连接,,OM PE DE ，易得BCDE 为平行四边形，即知△ADE 为等腰三角形，进而有 OD AB ，由等边三角形性质有PE AB ，根据中位线、平行线的推论知OM AB ，再根据线面垂直的判定、面面垂直的判定证结论.（2）构建空间直角坐标系，求出直线AP 方向向量和平面PBC 的法向量，应用空间向量夹角的坐标表示求线面角的正弦值.(1)若E 为AB 中点，连接,,OM PE DE，由//CD BE 且2CD BE ，故BCDE 为平行四边形，所以2BC DE ，又2AD 且퐴 =14퐴 ，即O 为AE 中点，等腰△ADE 中OD AE ，即 OD AB ，又PAB 为正三角形，故PE AB ，因为,O M 分别为AE ，AP 中点，故//OM PE ，则OM AB ，由OM OD O ∩，,OM OD 面OMD ，故AB 面OMD ，而AB Ì面ABCD ，则平面ODM 平面ABCD ；(2)过O 作Oz 面ABCD ，由（1）可构建以O 为原点，,,OB OD Oz 为,,x y z轴的空间直角坐标系，所以(1,0,0),(3,0,0),A B C，而OM OD DM ，则33,)22M ，所以P，故((1,0,3)AP BP CP ，若(,,)m x y z 是面PBC的一个法向量，则23030m BP x z m CP x z，令1z，则m ，所以|cos ,|||||||m AP m AP m AP AP 与平面PBC19．（2022·广东·大埔县虎山中学模拟预测）如图，在四棱台1111ABCD A B C D 中，2AB ，111A B ，四边形ABCD 为平行四边形，点E 为棱BC的中点．(1)求证：1//D E 平面11ABB A ；(2)若四边形ABCD 为正方形，1AA 平面ABCD ，12A A AB ，求二面角1A DE C 的余弦值．【答案】(1)证明见解析；(2)23.【解析】【分析】（1）连1A B ，利用给定条件证明四边形11A D EB 为平行四边形，再利用线面平行的判定推理作答.（2）以点A 为原点建立空间直角坐标系，借助空间向量求解作答.(1)在四棱台1111ABCD A B C D 中，四边形ABCD 为平行四边形，且112AB A B ，点E 为棱BC 的中点，连1A B，如图，则有1112A D AD BE ，11////A D AD BE ，即四边形11A D EB 为平行四边形，则11//D E A B ，又1D E 平面11ABB A ，1A B 平面11ABB A ，所以1//D E 平面11ABB A ．(2)以A 为坐标原点，AB 为x 轴，AD 为y 轴，1AA 为z轴，建立如图所示的空间直角坐标系，则 10,0,2A ， 0,2,0D ， 2,1,0E ， 10,2,2DA ， 2,1,0ED ，设平面1A DE 的一个法向量为 ,,n x y z ，则122020DA n y z ED n x y ，令1x ，得 1,2,2n ，平面DEC 的一个法向量为 0,0,1m ，则22cos ,133||||m n m n m n ，显然二面角1A DE C 的平面角为钝角，所以二面角1A DE C 的余弦值为23.20．（2022·全国·模拟预测）如图所示，四棱台1111ABCD A B C D 的上下底面均为正方形，侧面11ADD A 与底面垂直，11113BB CC B C BC ．(1)求证：平面11ADD A 平面11ABB A ；(2)已知四棱台1111ABCD A B C D 的体积为①求异面直线BC 和1AA 的距离②求1A 到平面11CDD C 的距离．请从以上两个问题中选取一道进行求解．注：若两个问题均求解，则按第一个问题计分．【答案】(1)证明见解析(2)；【解析】【分析】（1）利用线面垂直的性质定理，可得AB 平面11ADD A ，进而可知平面11ADD A 平面11ABB A ．（2）先根据棱台的体积求出各条边及高的长度，若选择问题①求解，即求异面直线BC 和1AA 的公垂线段AB 的长度，若选择问题②求解，1A 到平面11CDD C 的距离就是1A 到直线1DD 的距离，用三角形等面积可求.(1)在正方形ABCD 中，有AB AD ．由题设，平面11ADD A 平面ABCD ，且平面11ADD A 平面ABCD AD ，所以AB 平面11ADD A ．而AB Ì平面11ABB A ，所以平面11ADD A 平面11ABB A ．(2)设111133BB CC B C BC x方法一：利用棱台的体积公式由勾股定理，直角梯形11CDD C 的高1DD ，等腰梯形11ADD A 的高（也就是四棱台的高）2h x ．故四棱台1111ABCD A B C D 的体积 232123103V x x x x ，解得x 方法二：复原棱锥如图，延长各侧棱交于原棱锥的顶点P ．则四棱台1111ABCD A B C D 的体积1111P A B C D P ABCD V V V ，其中1111P A B C D V ，P ABCD V 分别表示四棱锥1111P A B C D 和P ABCD 的体积．由于两棱锥位似，因此 1111311::27P A B C D P ABCD V V B C BC ，所以1111P A B C D V由勾股定理，直角梯形11CDD C 的高1DD ，等腰梯形11ADD A 的高（也就是四棱台的高）2h x ．故四棱锥1111P A B C D 的高为332x ，111121333P A B C D V x x x若选择问题①求解：由（1）知，AB 平面11ADD A ，且AD 平面11ADD A ，故1AB AA ．在正方形ABCD 中，有AB BC ，因此AB 是异面直线BC 和1AA 的公垂线段，所以异面直线BC 和1AA 的距离为AB xBC 和1AA 若选择问题②求解：同（1）可知平面11ADD A 平面11CDD C ，所以1A 到平面11CDD C 的距离就是1A 到直线1DD 的距离d ．因为为111111122DA D S A D h DD d △，所以d ．故1A 到平面11CDD C。
高考数学专题20 立体几何中的平行与垂直问题(解析版)
专题20 立体几何中的平行与垂直问题一、题型选讲题型一、线面平行与垂直知识点拨：证明直线与平面的平行与垂直问题，一定要熟练记忆直线与平面的平行与垂直判定定理和性质定理，切记不可缺条件。
直线与平面的平行有两种方法：一是在面内找线；二是通过面面平行转化。
直线与平面垂直关键是找两条相交直线例1、(2021南通、泰州、扬州一调〕如图，在四棱锥PABCD中，M，N分别为棱PA，PD的中点．侧面PAD⊥底面ABCD，底面ABCD是矩形，DA＝DP.求证：(1)MN∥平面PBC；MD⊥平面PAB.【证明】(1)在四棱锥P－ABCD中，M，N分别为棱PA，PD的中点，所以MN∥AD.(2分)又底面ABCD是矩形，所以BC∥AD.所以MN∥BC.(4分)又BC⊂平面PBC，MN⊄平面PBC，所以MN∥平面PBC. (6分)(2)因为底面ABCD是矩形，所以AB⊥AD.又侧面PAD⊥底面ABCD，侧面PAD∩底面ABCD＝AD，AB⊂底面ABCD，所以AB⊥侧面PAD.(8分)又MD⊂侧面PAD，所以AB⊥MD.(10分)因为DA＝DP，又M为AP的中点，从而MD⊥PA. (12分)又PA，AB在平面PAB内，PA∩AB＝A，所以MD⊥平面PAB.(14分)例2、(2021扬州期末〕如下图，在三棱柱ABCA1B1C1中，四边形AA1B1B为矩形，平面AA1B1B⊥平面ABC，点E，F分别是侧面AA1B1B，BB1C1C对角线的交点．(1) 求证：EF∥平面ABC；(2) 求证：BB1⊥AC.标准解答(1)在三棱柱ABCA1B1C1中，四边形AA1B1B，四边形BB1C1C均为平行四边形，E，F分别是侧面AA1B1B，BB1C1C对角线的交点，所以E，F分别是AB1，CB1的中点，所以EF∥AC.(4分)因为EF⊄平面ABC，AC⊂平面ABC，所以EF∥平面ABC.(8分)(2)因为四边形AA1B1B为矩形，所以BB1⊥AB.因为平面AA1B1B⊥平面ABC，且平面AA1B1B∩平面ABC＝AB，BB1⊂平面AA1B1B，所以BB1⊥平面ABC.(12分)因为AC⊂平面ABC，所以BB1⊥AC.(14分)例3、(2021南京、盐城二模〕如图，在三棱柱ABCA1B1C1中，AB＝AC，A1C⊥BC1，AB1⊥BC1，D，E 分别是AB1和BC的中点．求证：(1)DE∥平面ACC1A1；(2)AE⊥平面BCC1B1.标准解答(1)连结A1B，在三棱柱ABCA1B1C1中，AA1∥BB1且AA1＝BB1，所以四边形AA1B1B是平行四边形．又因为D是AB1的中点，所以D也是BA1的中点．(2分)在△BA1C中，D和E分别是BA1和BC的中点，所以DE∥A1C.又因为DE⊄平面ACC1A1，A1C⊂平面ACC1A1，所以DE∥平面ACC1A1.(6分)(2)由(1)知DE∥A1C，因为A1C⊥BC1，所以BC1⊥DE.(8分)又因为BC1⊥AB1，AB1∩DE＝D，AB1，DE⊂平面ADE，所以BC1⊥平面ADE.又因为AE⊂平在ADE，所以AE⊥BC1.(10分)在△ABC中，AB＝AC，E是BC的中点，所以AE⊥BC.(12分)因为AE⊥BC1，AE⊥BC，BC1∩BC＝B，BC1，BC⊂平面BCC1B1，所以AE⊥平面BCC1B1. (14分)例4、(2021苏锡常镇调研〕如图，三棱锥DABC中，AC⊥BC，AC⊥DC，BC＝DC，E，F分别为BD，CD的中点．求证：(1) EF∥平面ABC；(2) BD⊥平面ACE..标准解答(1)三棱锥DABC中，因为E为DB的中点，F为DC的中点，所以EF∥BC，(3分)因为BC⊂平面ABC，EF⊄平面ABC，所以EF∥平面ABC.(6分)(2)因为AC⊥BC，AC⊥DC，BC∩DC＝C，BC，DC⊂平面BCD所以AC⊥平面BCD，(8分)因为BD⊂平面BCD，所以AC⊥BD，(10分)因为DC＝BC，E为BD的中点，所以CE⊥BD，(12分)因为AC∩CE＝C，AC，CE⊂平面ACE，所以BD⊥平面ACE.(14分)例5、(2021苏州三市、苏北四市二调〕如图，在直三棱柱ABCA1B1C1中，侧面BCC1B1为正方形，A1B1⊥B1C1.设A1C与AC1交于点D，B1C与BC1交于点E.求证：(1) DE∥平面ABB1A1；(2) BC1⊥平面A1B1C.标准解答(1)因为三棱柱ABCA1B1C1为直三棱柱，所以侧面ACC1A1为平行四边形．又A1C与AC1交于点D，所以D为AC1的中点，同理，E为BC1的中点．所以DE∥AB.(3分)又AB⊂平面ABB1A1，DE⊄平面ABB1A1，所以DE∥平面ABB1A1.(6分)(2)因为三棱柱ABCA1B1C1为直三棱柱，所以BB1⊥平面A1B1C1.又因为A1B1⊂平面A1B1C1，所以BB1⊥A1B1.(8分)又A1B1⊥B1C1，BB1，B1C1⊂平面BCC1B1，BB1∩B1C1＝B1，所以A1B1⊥平面BCC1B1.(10分)又因为BC1⊂平面BCC1B1，所以A1B1⊥BC1.(12分)又因为侧面BCC1B1为正方形，所以BC1⊥B1C.又A1B1∩B1C＝B1，A1B1，B1C⊂平面A1B1C，所以BC1⊥平面A1B1C.(14分)例6、(2021苏北四市一模〕如图，在正三棱柱ABCA1B1C1中，D，E分别为BC，B1C1的中点，点F在棱CC1上，且EF⊥C1D.求证：(1) 直线A1E∥平面ADC1；(2) 直线EF⊥平面ADC1.标准解答(1) 证法1 连结ED，因为D，E分别为BC，B1C1的中点，所以B1E∥BD且B1E＝BD，所以四边形B1BDE是平行四边形，(2分)所以BB1∥DE且BB1＝DE.又BB1∥AA1且BB1＝AA1，所以AA1∥DE且AA1＝DE，所以四边形AA1ED是平行四边形，所以A1E∥AD.(4分)又因为A1E⊄平面ADC1，AD⊂平面ADC1，所以直线A1E∥平面ADC1.(7分)证法2 连结ED ，连结A 1C ，EC 分别交AC 1，DC 1于点M ，N ，连结MN ，那么因为D ，E 分别为BC ，B 1C 1的中点，所以C 1E ∥CD 且C 1E ＝CD ，所以四边形C 1EDC 是平行四边形，所以N 是CE 的中点．(2分) 因为A 1ACC 1为平行四边形，所以M 是A 1C 的中点，(4分) 所以MN ∥A 1E .又因为A 1E ⊄平面ADC 1，MN ⊂平面ADC 1，所以直线A 1E ∥平面ADC 1.(7分) (2) 在正三棱柱ABCA 1B 1C 1中，BB 1⊥平面ABC . 又AD ⊂平面ABC ，所以AD ⊥BB 1.又△ABC 是正三角形，且D 为BC 的中点，所以AD ⊥BC .(9分) 又BB 1，BC ⊂平面B 1BCC 1，BB 1∩BC ＝B ， 所以AD ⊥平面B 1BCC 1，又EF ⊂平面B 1BCC 1，所以AD ⊥EF .(11分)又EF ⊥C 1D ，C 1D ，AD ⊂平面ADC 1，C 1D ∩AD ＝D ， 所以直线EF ⊥平面ADC 1.(14分)题型二、线面与面面平行与垂直证明平面与平面的平行与垂直问题，一定要熟练记忆平面与平面的平行与垂直判定定理和性质定理，切记不可缺条件。
立体几何最典型的平行与垂直题型归纳(带答案)(1)
专题:立体几何最典型的平行与垂直题型归纳1．四面体ABCD 中，△ ABC 是正三角形，△ ACD 是直角三角形，∠ ABD ＝∠ CBD，AB＝BD ，则四面体的四个表面中互相垂直的平面有（）对．2．如图，在四棱锥P﹣ABCD 中，PA⊥底面ABCD ，四边形ABCD 为长方形，AD＝2AB，点E、F 分别是线段PD、PC 的中点．（Ⅰ）证明：EF∥平面PAB；（Ⅱ）在线段AD 上是否存在一点O，使得BO⊥平面PAC，若存在，请指出点O 的位置，⊥底面ABCD ，且PA＝AD＝2，AB＝BC＝1，M 为PD 的中点．Ⅰ）求证：CM ∥平面PAB；Ⅱ）求证：CD ⊥平面PAC．AD ∥BC ，∠ BAD ＝90°，PA4．如图，△ ABC 为正三角形，AE 和CD 都垂直于平而ABC，F 是BE 中点，AE＝AB＝2，CD＝1．1）求证：DF ∥平面ABC；2）求证：AF ⊥DE；3）求异面直线AF 与BC 所成角的余弦值．5．如图，在四棱锥A﹣BCDE 中，平面ABC⊥平面BCDE ，∠ CDE ＝∠ BED ＝90°，AB＝CD＝2，DE＝BE＝1，AC＝．（1）证明：D E⊥平面ACD ；2）求棱锥C﹣ABD 的体积．6．如图，在四棱锥P﹣ABCD 中，底面ABCD 是矩形，PA⊥平面ABCD，PA＝AD＝2，AB ＝1，M 为线段PD 的中点．I）求证：BM ⊥PDII ）求直线CM 与PB 所成角的余弦值．7．如图，在正三棱柱ABC﹣A1B1C1 中，所有棱长都等于2．（1）当点M 是BC 的中点时，求异面直线AB1和MC1所成角的余弦值；专题 :立体几何最容易错的最难的平行与垂直问题汇编1．如图，在三棱柱 ABC ﹣A 1B 1C 1中，侧棱垂直于底面，∠ ACB ＝90°， 2AC ＝AA 1，D ，M 分别是棱 AA 1， BC 的中点．证明：2）若∠ ABC ＝120°，AE ⊥EC ，AB ＝2，求点 G 到平面 AED 的距离．3．如图，在四棱锥 P ﹣ ABCD 中，平面 PAD ⊥平面 ABCD ，PA ⊥PD ，PA ＝PD ，AB ⊥AD ， AB ＝1，AD ＝2，AC ＝CD ＝ ．（ 1）求证： PD ⊥平面 PAB ；1）证明：平面 PAB ⊥平面 PAD；AB ∥CD ，且∠ BAP ＝∠ CDP ＝90BE ⊥平面 ABCD ．1）证明：平面 AEC ⊥平面 BED ．2）若 PA ＝PD ＝AB ＝DC ，∠APD ＝90°，且四棱锥 P ﹣ABCD 的体积为 ，求该四棱 1）证明： AC ⊥BD ；（2）已知△ ACD 是直角三角形， AB ＝BD ，若 E 为棱 BD 上与 D6．如图，在四棱锥 A ﹣EFCB 中，△ AEF 为等边三角形，平面 AEF ⊥平面 EFCB ，EF ＝ 2，四边形 EFCB 是高为 的等腰梯形， EF ∥BC ，O 为 EF 的中点．AD ＝CD ． 求 O 到平面 ABC 的距离．专题:立体几何最典型的平行与垂直题型归纳1．四面体ABCD 中，△ ABC 是正三角形，△ ACD 是直角三角形，∠ ABD ＝∠ CBD，AB＝BD ，则四面体的四个表面中互相垂直的平面有（）对．A ．0 B．1 C． 2 D． 3【解答】解：取AC 的中点E，连接BE，DE，∵∠ ABD＝∠ CBD ，∴ BD 在平面ABC 上的射影在直线BE 上，∵△ ACD 是直角三角形，∴∠ ADC＝90°，设 AB ＝ 2，则 BE ＝ ，DE ＝ AC ＝1，BD ＝2，2 2 2∴DE 2+BE 2＝ BD 2，即 DE ⊥BE ，又 BE ⊥ AC ，DE ∩AC ＝E ，∴ BE ⊥平面 ACD ，∴平面 ABC ⊥平面 ACD ．∵ D 在平面 ABC 上的射影为 E ， B 在平面 ACD 上的射影为 E ，∴平面 ABD 与平面 ABC 不垂直，平面 BCD 与平面 ABC 不垂直，平面 ABD 与平面 ACD 不垂直，平面 BCD 与平面 ACD 不垂直， 过A 作 AF ⊥BD ，垂足为 F ，连接 CF ，由△ ABD ≌△ CBD 可得 CF ⊥BD ，故而∠ AFC 为二面角 A ﹣BD ﹣C 的平面角， ∵ AD ＝＝ ， ∴ cos ∠ ABD ∴ CF ＝ AF ＝∴ cos ∠ AFC ＝∴∠ AFC ≠ 90°，∴平面 ABD 与平面 BCD 不垂直．F 分别是线段 PD 、PC 的中点．证明： EF ∥平面 PAB ；BO ⊥平面 PAC ，若存在，请指出点 O 的位置， 并证明 BO ⊥平面 PAC ；若不存在，请说明理由．2．如图， 在四棱锥 P ﹣ABCD 中， PA ⊥底面 ABCD ，四边形 ABCD 为长方形， AD ＝ 2AB ，在线段 AD 上是否存在一点 O ，使得，∴ sin ∠ ABD＝∵EF ∥CD ，∴ EF ∥AB ，∴ EF ∥平面 PAB ． ⋯（6 分）此时点 O 为线段 AD 的四等分点，满足 ，⋯（ 8 分） ∵长方形ABCD 中，∴△ ABO ∽△ ADC ， ∴∠ ABO+∠CAB ＝∠ DAC + ∠CAB ＝90°，∴AC ⊥BO ，（10 分） 又∵ PA ⊥底面 ABCD ，BO? 底面ABCD ， ∴PA ⊥BO ， ∵PA ∩AC ＝A ，PA 、AC? 平面 PACABCD 为长方形，∴CD ∥AB ，∠ BAO ＝∠ ADC ＝ 90°，四边形 ABCD 为直角梯形， AD∥BC ，∠ BAD＝，PA 又∵ EF? 平面 PAB ， AB? 平面 PAB ，Ⅱ） 在线段 AD 上存在一点 O ，使得 BO ⊥平面 PAC ，⊥底面ABCD ，且PA＝AD＝2，AB＝BC＝1，M为PD 的中点．（Ⅰ）求证：CM ∥平面PAB；（Ⅱ）求证：CD ⊥平面PAC．解答】证明：（I ）取PA 的中点E，连接ME 、BE，∵ ME ∥AD，ME AD，∴ ME ∥BC，ME＝BC，∴四边形BCME 为平行四边形，∴ BE∥CM ，∵BE? 平面PAB，CM?平面PAB，∴ CM∥平面PAB；（II ）在梯形ABCD 中，AB＝BC＝1，AD＝2，∠ BAD＝90° 过C作CH⊥AD于H，∴AC ＝CD＝2 2 2∵AC2+CD2＝AD2，∴ CD⊥AC又∵ PA⊥平面ABCD ，CD ?平面ABCD，∴ CD⊥PA∵PA∩AC＝A，∴CD ⊥平面PAC4．如图，在三棱柱ABC﹣A1B1C1中，AB＝AC，A1在底面ABC的射影为BC的中点，D是B1C1 的中点，证明：A1D⊥平面A1BC．解答】 证明：设 E 为 BC 的中点，连接 A 1E ， DE ，AE ，由题意得 A 1E ⊥平面 ABC ，∴ A 1E ⊥AE ．∵ AB ＝ AC ， AE ⊥BC ，∴ AE ⊥平面 A 1BC ． 由 D ，E 分别为 B 1C 1，BC 的中点，得 DE ∥B 1B 且 DE ＝B 1B ， 从而 DE ∥A 1A 且 DE ＝A 1A ，∴四边形 A 1AED 为平行四边形，∴ A 1D ∥AE ．5．如图，△ ABC 为正三角形， AE 和 CD 都垂直于平而 ABC ，F 是 BE 中点， AE ＝AB ＝ 2，CD ＝ 1．（1）求证： DF ∥平面 ABC ；（2）求证： AF ⊥DE ；（3）求异面直线 AF 与 BC 所成角的余弦值．【解答】（1）证明：取 AC 中点 O ，过 O 作平面 ABC 的垂线交 DE连结 OB ，则 OG ⊥OB ， OG ⊥ OC ，∵△ ABC 是正三角形， O 是 AC 中点，∴ OB ⊥ OC ，以 O 为原点， OB 、OC 、OG 所在直线分别为 x 、y 、z轴，建立空间直角坐标系，又∵ AE ⊥平面 A 1BC ， ∴ A 1D ⊥平面 A 1BC∵F 是 BE 中点， AE ＝AB ＝ 2，CD ＝1，＝（﹣ ， 1， 0）， ＝（ 0，0， 1），∵CD ⊥平面 ABC ，∴ ＝（0，0，1）是平面 ABC 的一个法向量，又 DF? 平面 ABC ，∴ DF ∥平面 ABC ．2）证明：∵ ＝（ ）， ＝（ 0，﹣2，1），∴ ＝ 0﹣ 1+1＝0，∴AF ⊥DE ．（3）解：∵ ＝（ ）， ＝（﹣ ，1， 0），设 AF 、 BC 所成角为 θ，cos θ＝ ∴异面直线 AF 与 BC 所成角的余弦值6．如图，在四棱锥 P ﹣ABCD 中，底面 ABCD 是矩形， PA ⊥平面 ABCD ，PA ＝AD ＝2，AB ＝ 1，M 为线段 PD 的中点．（ I ）求证： BM ⊥PD（ II ）求直线 CM 与 PB 所成角的余弦值．∴ ＝（ ，0）， ＝（ ）， ＝（0，﹣ 2，1），∵ ＝ ， ∴，D （0，1，1），E （0，﹣1，∴A （0，﹣ 1，0），B（| | ＝【解答】（ I ）证明：连接 BD ，∵四棱锥 P ﹣ABCD 中，底面 ABCD 是矩形， PA ⊥平面 ABCD ，PA ＝AD ＝2，AB ＝1， ∴PB ＝BD ＝∵ M 为线段 PD 的中点，∴BM ⊥PD（II ）解：连接 AC ，与 BD 交于 O ，连接 OM ，则∵ M 为线段 PD 的中点，∴MO ∥PB∴直线 CM 与 PB 所成角的余弦值为7．如图，在正三棱柱 ABC ﹣A 1B 1C 1 中，所有棱长都等于 2．（ 1）当点 M 是 BC 的中点时，① 求异面直线 AB 1和 MC 1 所成角的余弦值；② 求二面角 M ﹣AB 1﹣C 的正弦值；（2）当点 M 在线段 BC 上（包括两个端点）运动时， 求直线 MC 1与平面 AB 1C 所成角的∴∠ CMO （或其补角）为直线 CM 与 PB 所成角，在△ MOC中， ∴ cos ∠ CMO＝CM ＝ ＝ ，． ．解答】 解：（1）取 AC 的中点为 O ，建立空间直角坐标系 O ﹣ xyz ，则 ，C （ 0，1，0），当 M 是 BC 的中点时，则 ． ①， 设异面直线 AB 1 和 MC 1 所成角为 θ，则 ＝ ＝ ．＝ ＝ ．② ， ， ，，令 x ＝ 2，∴ ，∴ ．设二面角 M ﹣ AB 1﹣ C 的平面角为 θ，则＝．所以 ．（ 2）当 M 在 BC 上运动时，设 ．设平面 MAB 1的一个法向量为 ，则 ．∴ 设平面 AB 1C 的一个法向量为 ，令 ，则 y ＝﹣ 1，z ＝﹣ 1，∴，，则正弦值的取值范围．设M（x，y，z），∴，∴ ，则，∴ ．设直线MC1 与平面AB1C 所成的角为θ ，则设，设t＝λ+1 ∈[1，2]，所以，t∈[1，2]．设，∴∵ ，∴ ，∴∴直线MC 1与平面AB1C 所成的角的正弦值的取值范围为6．如图，在四棱锥 A ﹣BCDE 中，平面 ABC ⊥平面 BCDE ，∠ CDE ＝∠ BED ＝90°， AB ＝CD ＝ 2，DE ＝BE ＝1，AC ＝ ．（ 1）证明： DE ⊥平面 ACD ；（ 2）求棱锥 C ﹣ ABD 的体积．【解答】 解：（ 1）在直角梯形 BCDE 中，∵DE ＝ BE ＝ 1， CD ＝ 2，∴ BC ＝＝ ， 又 AB ＝2， AC ＝ ，∴ AB 2＝AC 2+BC 2，即 AC ⊥ BC ，又平面 ABC ⊥平面 BCDE ，平面 ABC ∩平面 BCDE ＝BC ，AC? 平面 ABC ，∴AC ⊥平面 BCDE ，又 DE? 平面 BCDE ，∴AC ⊥ DE ，又 DE ⊥DC ，AC ∩CD ＝C ，∴ DE ⊥平面 ACD ．1．如图，在三棱柱 ABC ﹣A 1B 1C 1中，侧棱垂直于底面，∠ ACB ＝90°， 2AC ＝AA 1，D ，M分别是棱 AA 1， BC 的中点．证明：S △BCD ?AC ＝V C ﹣ABD ＝V A ﹣BCD ＝1)AM∥平面BDC12)DC1⊥平面BDC ．∴AD ∥ MN ，且 AD ＝ MN ；∴四边形 ADNM 为平行四边形，∴DN ∥AM ；又 DN? 平面 BDC 1，AM? 平面 BDC 1，∴ AM ∥平面 BDC 1⋯（ 6 分）（ 2）由已知 BC ⊥CC 1，BC ⊥AC ，又 CC 1∩ AC ＝ C ，∴ BC ⊥平面 ACC 1A 1，又 DC 1? 平面 ACC 1A 1，∴ DC 1⊥BC ；由已知得∠ A 1DC 1＝∠ ADC ＝45°，∴∠ CDC 1＝ 90°，∴DC 1⊥DC ；又 DC ∩BC ＝C ，∴ DC 1⊥平面 BDC ．⋯（ 12分）【解答】 证明：（ 1）如图所示，取 BC 1 的中点 N ，连接 DN ，MN ．则 MN ∥ CC 1，且 M N ＝ CC 1；又 AD ∥CC 1，且 ADV ＝ ，2．如图，四边形 ABCD 为菱形， G 为 AC 与 BD 的交点， BE ⊥平面 ABCD ．（ 1）证明：平面 AEC ⊥平面 BED ．因为 BE ⊥平面 ABCD ， AC? 平面 ABCD ，所以 AC ⊥BE ，⋯（ 2 分）又因为 DB ∩BE ＝B ，所以 AC ⊥平面 BED ．⋯（ 3分） 又 AC? 平面 AEC ，所以平面 AEC ⊥平面 BED ．⋯（ 5 分）2）取 AD 中点为 M ，连接 EM ．因为∠ ABC ＝ 120°．，AB ＝2，所以 AB ＝DB ＝ 2，AG ＝ ，DG ＝ 1，因为 AE ⊥EC ，所以 EG ＝＝ ，所以 BE ＝ ，⋯（ 6 分）所以 AE ＝DE ＝ ，又所以 AD 中点为 M ，所以 EM ⊥AD 且 EM ＝ ．设点 G 到平面 AED 的距离为为 h ， 则三棱锥 E ﹣ADG 的体积为求点 G 到平面 AED 的距离．为菱形，所以 AC ⊥BD ，⋯（ 1 分）即，解得 h ＝ ．PAD ⊥平面 ABCD ，PA ⊥PD ，PA ＝PD ，AB ⊥AD ，ABCD ，且平面 PAD ∩平面 ABCD ＝AD ，AB ⊥AD ，AB? 平面 ABCD ，∴ AB ⊥平面 PAD ，∵PD? 平面 PAD ，∴AB ⊥PD ，又 PD ⊥PA ，且 PA ∩AB ＝A ，∴ PD ⊥平面 PAB ；（ 2）解：取 AD 中点 O ，连接 PO ，则 PO ⊥ AD ， 又平面 PAD ⊥平面 ABCD ， ∴PO ⊥平面 ABCD ，∵PA ⊥PD ，PA ＝PD ，AD ＝2，∴ PO ＝1．10 分） 所以点 G 到平面 AED 的距离为AB ＝1，AD ＝2，AC ＝CD ＝ ．1）求证： PD ⊥平面PAB ；在△ ACD 中，由 AD ＝2，AC ＝CD ＝ ，可得 ．4．如图，在四棱锥 P ﹣ABCD 中， AB ∥CD ，且∠ BAP ＝∠ CDP ＝901）证明：平面 PAB ⊥平面 PAD ；P ﹣ABCD 中，∠ BAP ＝∠ CDP ＝ 90°，∴AB ⊥PA ，CD ⊥PD ，又 AB ∥ CD ，∴ AB ⊥PD ，∵PA ∩PD ＝P ，∴ AB ⊥平面 PAD ，∵AB? 平面 PAB ，∴平面 PAB ⊥平面 PAD ．解：（2）设 PA ＝PD ＝AB ＝DC ＝a ，取 AD 中点O ，连结 PO ，∵PA ＝PD ＝AB ＝DC ，∠ APD ＝90°，平面 PAB ⊥平面 PAD ，∵四棱锥 P ﹣ABCD 的体积为由 AB ⊥平面 PAD ，得 AB ⊥ AD ，∴V P ﹣ABCD ＝2）若 PA ＝PD ＝ AB ＝ DC ，∠ APD ＝90°，且四棱锥 P ﹣ ABCD 的体积为求该四棱 ∴ PO ⊥底面ABCD ， O P＝ ＝ ＝ ＝ ， 解得 a ＝2，∴ PA ＝PD ＝AB ＝DC ＝2，AD ＝BC ＝2 ，PO ＝ ， ∴ PB ＝ PC ＝ ＝2 ，∴该四棱锥的侧面积：S 侧＝ S △PAD +S △PAB +S △PDC +S △PBC＝+1）证明： AC ⊥ BD ；2）已知△ ACD 是直角三角形， AB ＝ BD ，若 E 为棱 BD 上与 D 不重合的点， ∵△ ABC 是正三角形， AD ＝CD ，∴DO ⊥AC ，BO ⊥AC ，∵DO ∩BO ＝O ，∴ AC ⊥平面 BDO ，∵BD? 平面 BDO ，∴AC ⊥BD ． 解：（2）法一：连结 OE ，由（ 1）知 AC ⊥平面 OBD ， ∵OE? 平面 OBD ，∴ OE ⊥ AC ， 设 AD ＝ CD ＝ ，则 OC ＝ OA ＝ 1， EC ＝ EA ，2 2 2 ∵AE ⊥CE ，AC ＝2，∴ EC 2+EA 2＝AC 2，∴ EC ＝ EA ＝ ＝ CD ，∴E 是线段 AC 垂直平分线上的点，∴ EC ＝EA ＝CD ＝ ，由余弦定理得：AE ⊥＝ 6+2 ．AD ＝CD ．∵BE＜＜BD＝2，∴BE＝1，∴ BE＝ED ，∵四面体ABCE 与四面体ACDE 的高都是点 A 到平面BCD 的高h，∵ BE＝ED ，∴ S△DCE＝S△BCE，∴四面体ABCE 与四面体ACDE 的体积比为1．法二：设AD＝CD＝，则AC＝AB＝BC＝BD＝2，AO＝CO＝DO＝1，∴ BO＝＝，∴ BO2+DO2＝BD2，∴ BO⊥DO，以O 为原点，OA 为x 轴，OB 为y 轴，OD 为z 轴，建立空间直角坐标系，则C（﹣1，0，0），D（0，0，1），B（0，，0），A（1，0，0），设E（a，b，c），，（0≤λ≤1），则（a，b，c﹣1）＝λ（0，，﹣1），解得E（0，，1﹣λ），∴ ＝（1，），＝（﹣ 1 ，），∵AE⊥EC，∴＝﹣1+3λ2+ （1﹣λ）2＝0，由λ∈[0 ，1]，解得，∴ DE＝BE，∵四面体ABCE 与四面体ACDE 的高都是点 A 到平面BCD 的高h，∵DE＝BE，∴ S△DCE＝S△BCE，∴四面体ABCE 与四面体ACDE 的体积比为1．AEF⊥平面EFCB，EF＝2，四边形EFCB 是高为的等腰梯形，EF∥BC，O 为EF 的中点．1）求证：AO⊥CF；O 为EF 的中点，所以AO⊥ EF ⋯（ 1 分）又因为平面AEF⊥平面EFCB，AO? 平面AEF，平面AEF ∩平面EFCB ＝EF ，所以AO ⊥平面EFCB，⋯（ 4 分）又CF? 平面EFCB ，所以AO⊥ CF ⋯（ 5 分）（2）解：取BC 的中点G，连接OG．由题设知，OG⊥BC ⋯（ 6 分）由（1）知AO⊥平面EFCB ，又BC? 平面EFCB ，所以OA⊥BC，因为OG∩OA＝O，所以BC⊥平面AOG⋯（8 分）过O 作OH⊥AG，垂足为H，则BC⊥ OH ，因为AG∩BC＝G，所以OH⊥平面ABC．⋯（10 分）因为，所以，即O 到平面ABC 的距离为．（另外用等体积法亦可）⋯（12 分）10．直三棱柱ABC﹣A1B1C1 中，若∠ BAC＝90°，AB＝AC＝AA1，则异面直线BA1 与B1C 所成角的余弦值为（A．0 B．C．。
高考数学二轮复习 第二部分 专题三 立体几何 第2讲 空间平行与垂直练习 文(含解析)-人教版高三全
第2讲空间平行与垂直A级基础通关一、选择题1．(2018·某某卷)已知平面α，直线m，n满足m⊄α，n⊂α，则“m∥n”是“m∥α”的()A．充分不必要条件B．必要不充分条件C．充分必要条件D．既不充分也不必要条件解析：因为若m⊄α，n⊂α，且m∥n，则一定有m∥α，但若m⊄α，n⊂α，且m∥α，则m与n有可能异面，所以“m∥n”是“m∥α”的充分不必要条件．故选A.答案：A2．(2018·全国卷Ⅰ)在长方体ABCDA1B1C1D1中，AB＝BC＝2，AC1与平面BB1C1C所成的角为30°，则该长方体的体积为()A．8B．62C．82D．8 3解析：连接BC1，AC1，AC，因为AB⊥平面BB1C1C，所以∠AC1B＝30°，AB⊥BC1，所以△ABC1为直角三角形．又AB＝2，所以BC1＝2 3.又B1C1＝2，所以BB1＝（23）2－22＝22，故该长方体的体积V＝2×2×22＝8 2.答案：C3．正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1，E是A1B1的中点，则点E到平面ABC1D1的距离为()A.32B.22C.12D.33解析：因为A1B1∥AB，所以EB1∥AB，因此点E到平面ABC1D1的距离转化为点B1到平面的距离，取BC1的中点O，则OB1⊥BC1，OB1⊥AB，所以B1O⊥平面ABC1D1，则B1O为所求的距离．因此B1O＝22是点E到平面ABC1D1的距离．答案：B4．(2018·全国卷Ⅱ)在正方体ABCD A 1B 1C 1D 1中，E 为棱CC 1的中点，则异面直线AE 与CD 所成角的正切值为()A.22B.32C.52D.72解析：如图，因为AB ∥CD ，所以AE 与CD 所成的角为∠EAB .在Rt △ABE 中，设AB ＝2， 则BE ＝5， 则tan ∠EAB ＝BEAB ＝52， 所以异面直线AE 与CD 所成角的正切值为52. 故选C. 答案：C5．已知α，β是两个平面，m ，n 是两条直线，则下列命题中错误的是() A ．如果m ⊥n ，m ⊥α，n ⊥β，那么α⊥β B ．如果m ⊂α，α∥β，那么m ∥βC ．如果α∩β＝l ，m ∥α，m ∥β，那么m ∥lD ．如果m ⊥n ，m ⊥α，n ∥β，那么α⊥β解析：对于A ，如果m ⊥n ，m ⊥α，则n ∥α或n ⊂α，因为n ⊥β，则α⊥β，故正确；对于B ，如果m ⊂α，α∥β，那么m 与β无公共点，则m ∥β，故正确；对于C ，如果α∩β＝l ，m ∥α，m ∥β，则m ∥l ，故正确；对于D ，如果m ⊥n ，m ⊥α，n ∥β，那么α与β的关系不确定，故错误．答案：D 二、填空题6.如图，在空间四边形ABCD 中，点M ∈AB ，点N ∈AD ，若AM MB ＝ANND，则直线MN 与平面BDC 的位置关系是________．解析：由AM MB ＝ANND，得MN ∥BD .而BD ⊂平面BDC ，MN ⊄平面BDC ， 所以MN ∥平面BDC . 答案：平行7.如图，在三棱柱ABC-A 1B 1C 1中，侧棱AA 1⊥底面ABC ，底面是以∠ABC 为直角的等腰直角三角形，AC ＝2a ，BB 1＝3a ，点D 是A 1C 1的中点，点F 在线段AA 1上，当AF ＝________时，CF ⊥平面B 1DF .解析：由题意易知，B 1D ⊥平面ACC 1A 1， 又CF ⊂平面ACC 1A 1， 所以B 1D ⊥CF .要使CF ⊥平面B 1DF ，只需CF ⊥DF . 令CF ⊥DF ，设AF ＝x ，则A 1F ＝3a －x . 易知Rt △CAF ∽Rt △FA 1D ， 得AC A 1F ＝AF A 1D ，即2a 3a －x ＝x a， 整理得x 2－3ax ＋2a 2＝0， 解得x ＝a 或x ＝2a . 答案：a 或2a8．在正方体ABCD A 1B 1C 1D 1中，E 为线段B 1D 1上的一个动点，则下列结论中正确的是________(填序号)．①AC ⊥BE ； ②B 1E ∥平面ABCD ；③三棱锥E ABC 的体积为定值； ④直线B 1E ⊥直线BC 1.解析：因AC ⊥平面BDD 1B 1，而BE ⊂平面BDD 1B ，故①正确；因B 1D 1∥平面ABCD ，故②正确；记正方体的体积为V ，则V E ABC ＝16V ，为定值，故③正确；B 1E 与BC 1不垂直，故④错误．答案：①②③ 三、解答题9.(2019·某某卷)如图，在直三棱柱ABC-A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB ＝BC .求证：(1)A 1B 1∥平面DEC 1； (2)BE ⊥C 1E .证明：(1)因为D ，E 分别为BC ，AC 的中点，所以ED ∥AB . 在直三棱柱ABCA 1B 1C 1中，AB ∥A 1B 1， 所以A 1B 1∥ED .又因为ED ⊂平面DEC 1，A 1B 1⊄平面DEC 1， 所以A 1B 1∥平面DEC 1.(2)因为AB ＝BC ，E 为AC 的中点，所以BE ⊥AC . 因为三棱柱ABCA 1B 1C 1是直棱柱，所以C 1C ⊥平面ABC . 又因为BE ⊂平面ABC ，所以C 1C ⊥BE . 因为C 1C ⊂平面A 1ACC 1，AC ⊂平面A 1ACC 1，C 1C ∩AC ＝C ，所以BE ⊥平面A 1ACC 1.因为C 1E ⊂平面A 1ACC 1，所以BE ⊥C 1E .10．(2019·卷)如图，在四棱锥P-ABCD 中，PA ⊥平面ABCD ，底面ABCD 为菱形，E 为CD 的中点．(1)求证：BD ⊥平面PAC ；(2)若∠ABC ＝60°，求证：平面PAB ⊥平面PAE ；(3)棱PB 上是否存在点F ，使得CF ∥平面PAE ？说明理由． (1)证明：因为PA ⊥平面ABCD ， 所以PA ⊥BD .因为底面ABCD 为菱形， 所以BD ⊥AC . 又PA ∩AC ＝A ， 所以BD ⊥平面PAC .(2)证明：因为PA ⊥平面ABCD ，AE ⊂平面ABCD ，所以PA ⊥AE .因为底面ABCD 为菱形，∠ABC ＝60°，且E 为CD 的中点， 所以AE ⊥CD .所以AB ⊥AE . 又AB ∩PA ＝A ，所以AE ⊥平面PAB .因为AE ⊂平面PAE ，所以平面PAB ⊥平面PAE . (3)解：棱PB 上存在点F ，使得CF ∥平面PAE .取PB 的中点F ，PA 的中点G ，连接CF ，FG ，EG ， 则FG ∥AB ，且FG ＝12AB .因为底面ABCD 为菱形，且E 为CD 的中点， 所以CE ∥AB ，且CE ＝12AB .所以FG ∥CE ，且FG ＝CE .所以四边形CEGF 为平行四边形．所以CF ∥EG . 因为CF ⊄平面PAE ，EG ⊂平面PAE ， 所以CF ∥平面PAE .B 级 能力提升11．(2019·全国卷Ⅰ)已知∠ACB ＝90°，P 为平面ABC 外一点，PC ＝2，点P 到∠ACB 两边AC ，BC 的距离均为3，那么P 到平面ABC 的距离为________．解析：如图，过点P 作PO ⊥平面ABC 于O ，则PO 为P 到平面ABC 的距离．再过O 作OE ⊥AC 于E ，OF ⊥BC 于F ， 连接PC ，PE ，PF ， 则PE ⊥AC ，PF ⊥BC .又PE ＝PF ＝3，所以OE ＝OF ， 所以CO 为∠ACB 的平分线， 即∠ACO ＝45°.在Rt △PEC 中，PC ＝2，PE ＝3，所以CE ＝1， 所以OE ＝1，所以PO ＝PE 2－OE 2＝（3）2－12＝ 2. 答案： 212.(2019·某某某某第二次质量预测)如图，四棱锥P-ABCD 中，底面ABCD 是边长为2的菱形，∠BAD ＝π3，△PAD 是等边三角形，F 为AD 的中点，PD ⊥BF .(1)求证：AD ⊥PB ；(2)若E 在线段BC 上，且EC ＝14BC ，能否在棱PC 上找到一点G ，使平面DEG ⊥平面ABCD ？若存在，求出三棱锥D-CEG 的体积；若不存在，请说明理由．(1)证明：连接PF ，因为△PAD 是等边三角形，F 是AD 的中点，所以PF ⊥AD .因为底面ABCD 是菱形，∠BAD ＝π3，所以BF ⊥AD . 又PF ∩BF ＝F ，所以AD ⊥平面BFP .又PB ⊂平面BFP ， 所以AD ⊥PB .(2)解：能在棱PC 上找到一点G ，使平面DEG ⊥平面ABCD . 由(1)知AD ⊥BF ，因为PD ⊥BF ，AD ∩PD ＝D ， 所以BF ⊥平面PAD .又BF ⊂平面ABCD ，所以平面ABCD ⊥平面PAD ， 又平面ABCD ∩平面PAD ＝AD ，且PF ⊥AD ， 所以PF ⊥平面ABCD .连接CF 交DE 于点H ，过H 作HG ∥PF 交PC 于G ，所以GH ⊥平面ABCD . 又GH ⊂平面DEG ， 所以平面DEG ⊥平面ABCD . 因为AD ∥BC ，所以△DFH ∽△ECH ， 所以CH HF ＝CE DF ＝12，所以CG GP ＝CH HF ＝12，所以GH ＝13PF ＝33，所以V D-CEG ＝V G-CDE ＝13S △CDE ·GH ＝13×12DC ·CE ·sin π3·GH ＝112.。
教辅-高三数学考点复习：空间中的平行与垂直关系
8．(多选)(2020·山东临沂一模)如图，点 E 为正方形 ABCD 边 CD 上异 于点 C，D 的动点，将△ADE 沿 AE 翻折成△SAE，在翻折过程中，下列说 法正确的是( )
A．存在点 E 和某一翻折位置，使得 SB⊥SE B．存在点 E 和某一翻折位置，使得 AE∥平面 SBC C．存在点 E 和某一翻折位置，使得直线 SB 与平面 ABC 所成的角为 45° D．存在点 E 和某一翻折位置，使得二面角 S－AB－C 的大小为 60°
解析 如图，因为轴截面 SAB 是边长为 2 的等边三角形，所以底面圆
的半径为 1，母线长为 2，所以圆锥的侧面积为 S＝π×1×2＝2π.作 DE⊥AB
于 E，则 DE⊥底面圆，又 SO⊥底面圆，所以 DE∥SO，所以∠CDE 为异面
直线 CD 与 SO 所成的角．因为 D 为母线 SB 的中点，所以 DE＝12SO＝12
(1)证明：点 C1 在平面 AEF 内； (2)若 AB＝2，AD＝1，AA1＝3，求二面角 A－EF－A1 的正弦值．
解 (1)证明：在棱 CC1 上取点 G，使得 C1G＝12CG，连接 DG，FG， C1E，C1F，
∵C1G＝12CG，BF＝2FB1，
∴CG＝23CC1＝23BB1＝BF 且 CG∥BF，
解析
二、填空题 9．(2020·北京延庆期中)已知平面 α，β 和直线 m，给出条件：①m∥α； ②m⊥α；③m⊂α；④α∥β；⑤α⊥β.当满足条件________时，m⊥β. 答案 ②④ 解析 由于当一条直线垂直于两个平行平面中的一个时，此直线也垂 直于另一个平面，结合所给的选项，故由②④可推出 m⊥β.即②④是 m⊥β 的充分条件．
解析
7．(多选)(2020·山东菏泽高三联考)如图，M 是正方体 ABCD－A1B1C1D1 的棱 DD1 的中点，下列命题中的真命题是( )
微专题12 立体几何中的平行与垂直问题答案
微专题12例题1证法1如图1，在四棱锥PABCD 中，取线段PD 的中点M ，连接FM ，AM.因为F 为PC 的中点，所以FM ∥CD ，且FM ＝12CD.因为四边形ABCD 为矩形，E 为AB 的中点，所以EA ∥CD ，且EA ＝12CD.所以FM ∥EA ，且FM ＝EA.所以四边形AEFM 为平行四边形．所以EF ∥AM. 又AM 平面PAD ，EF 平面PAD ，所以EF ∥平面PAD.证法2如图2，在四棱锥PABCD 中，连接CE 并延长交DA 的延长线于点N ，连接PN.因为四边形ABCD 为矩形，所以AD ∥BC.所以∠BCE ＝∠ANE ，∠CBE ＝∠NAE.又AE ＝EB ，所以△CEB ≌△NEA.所以CE ＝NE. 又F 为PC 的中点，所以EF ∥NP.又NP 平面PAD ，EF 平面PAD ，所以EF ∥平面PAD. 证法3如图3，在四棱锥PABCD 中，取CD 的中点Q ，连接FQ ，EQ.在矩形ABCD 中，E 为AB 的中点，所以AE ＝DQ ，且AE ∥DQ.所以四边形AEQD 为平行四边形，所以EQ ∥AD. 又AD 平面PAD ，EQ 平面PAD,所以EQ ∥平面PAD.因为Q ，F 分别为CD ，CP 的中点， 所以FQ ∥PD.又PD 平面PAD ，FQ 平面PAD ，所以FQ ∥平面PAD. 又FQ ，EQ 平面EQF ，FQ ∩EQ ＝Q ，所以平面EQF ∥平面PAD.因为EF 平面EQF ，所以EF ∥平面PAD.(2)在四棱锥PABCD 中，设AC ，DE 相交于点G(如图4)．在矩形ABCD 中，因为AB ＝2BC ，E 为AB 的中点． 所以DA AE ＝CDDA＝2，又∠DAE ＝∠CDA ，所以△DAE ∽△CDA ， 所以∠ADE ＝∠DCA.又∠ADE ＋∠CDE ＝∠ADC ＝90°，所以∠DCA ＋∠CDE ＝90°.由△DGC 的内角和为180°，得∠DGC ＝90°. 即DE ⊥AC.因为点P 在平面ABCD 内的正投影O 在直线AC 上， 所以PO ⊥平面ABCD.因为DE 平面ABCD ，所以PO ⊥DE. 因为PO ∩AC ＝O ，PO ，AC 平面PAC ， 所以DE ⊥平面PAC ，又DE 平面PDE ，所以平面PAC ⊥平面PDE.变式联想变式1证明：(1)因为E ，F 分别是A 1D 1，B 1C 1的中点，所以EF ∥A 1B 1， 在正方体ABCDA 1B 1C 1D 1中，A 1B 1∥AB ， 所以EF ∥AB.又EF 平面ABHG ，AB平面ABHG ，所以EF ∥平面ABHG.(2)在正方体ABCDA 1B 1C 1D 1中，CD ⊥平面BB 1C 1C ， 又BH 平面BB 1C 1C ，所以BH ⊥CD.① 设BH ∩CF ＝P ，△BCH ≌△CC 1F ，所以∠HBC ＝∠FCC 1，因为∠HBC ＋∠PHC ＝90°，所以∠FCC 1＋∠PHC ＝90°.所以∠HPC ＝90°，即BH ⊥CF.②由①②，又DC ∩CF ＝C ，DC ，CF 平面CFED ，所以BH ⊥平面CFED. 又BH 平面ABHG ，所以平面ABHG ⊥平面CFED.变式2证明：(1)如图，连接MN ，正三棱柱ABCA 1B 1C 1中，AA 1∥CC 1且AA 1＝CC 1，则四边形AA 1C 1C 是平行四边形，因为点M ，N 分别是棱A 1C 1，AC 的中点，所以MN ∥AA 1且MN ＝AA 1，又正三棱柱ABCA 1B 1C 1中AA 1∥BB 1且AA 1＝BB 1，所以MN ∥BB 1且MN ＝BB 1，所以四边形MNBB 1是平行四边形， 所以B 1M ∥BN ，又B 1M 平面A 1BN ，BN 平面A 1BN ， 所以B 1M ∥平面A 1BN.(2)正三棱柱ABCA 1B 1C 1中，AA 1⊥平面ABC ， BN 平面ABC ，所以BN ⊥AA 1，在正△ABC 中，N 是AB 的中点，所以BN ⊥AC ，又AA 1，AC 平面AA 1C 1C ，AA 1∩AC ＝A ，所以BN ⊥平面AA 1C 1C ，又AD 平面AA 1C 1C ，所以AD ⊥BN ，由题意得，AA 1＝6，AC ＝2，AN ＝1，CD ＝63，所以AA 1AC ＝ANCD＝32，又∠A 1AN ＝∠ACD ＝π2，所以△A 1AN 与△ACD 相似，则∠AA 1N ＝∠CAD ，所以∠ANA 1＋∠CAD ＝∠ANA 1＋∠AA 1N ＝π2，则AD ⊥A 1N ，又BN ∩A 1N ＝N ，BN ，A 1N平面A 1BN ，所以AD ⊥平面A 1BN. 说明：变式1和2都通过“计算”来证明垂直，复习时应注意长度，角度等量的“计算”的运用来实现位置关系的求证．串讲激活串讲1解析：(1)因为BC ⊥平面PAB ，AD 平面PAB ，所以BC ⊥AD.因为PA ＝AB ，D 为PB 的中点，所以AD ⊥PB.因为PB ∩BC ＝B ，所以AD ⊥平面PBC.(2)连接DC ，交PE 于点G ，连接FG.因为AD ∥平面PEF ，AD 平面ADC ，平面ADC ∩平面PEF ＝FG ，所以AD ∥FG.因为D 为PB 的中点，E 为BC 的中点，连接DE ，则DE 为△BPC 的中位线，△DEG ∽△CPG.所以DG GC ＝DE PC ＝12.所以AF FC ＝DG GC ＝12.串讲2解析：(1)在三棱台ABCDEF 中，AC ∥DF ，又AC 平面ACE ，DF 平面ACE ，所以DF ∥平面ACE ，又DF 平面DEF ，平面ACE ∩平面DEF ＝a ，所以DF ∥a.(2)线段BE 上存在点G ，且BG ＝13BE ，使得平面DFG ⊥平面CDE.证明如下：如图所示，取CE 的中点O ，连接FO 并延长交BE 于点G ，连接GD ，因为CF ＝EF ，所以GF ⊥CE.在三棱台ABCDEF 中，因为AB ⊥BC ，所以DE ⊥EF ，因为CF ⊥平面DEF ，DE 平面DEF ，所以CF ⊥DE ，又CF ∩EF ＝F ，所以DE ⊥平面CBEF ，GF 平面CBEF ，所以DE ⊥GF.因为GF ⊥CE ，DE ⊥GF ，CE ∩DE ＝E ，CE 平面CDE ，DE 平面CDE ，所以GF ⊥平面CDE ，又GF 平面DFG ，所以平面DFG ⊥平面CDE ，此时，侧面BCFE 的平面图如图所示，延长FG ，交CB 的延长线于点H ，因为O 是CE 的中点，EF ＝CF ＝2BC ，由平面几何知识可证得△HOC ≌△FOE ，所以HB ＝BC ＝12EF ，由△HGB ∽△FGE ，可知BG GE ＝12，即BG ＝13BE.新题在线(1)证法1取CE 中点F ，连接FB ，MF.因为M 为DE 的中点，F 为CE 的中点， 所以MF ∥CD 且MF ＝12CD.又因为在矩形ABCD 中，N 为AB 的中点， 所以BN ∥CD 且BN ＝12CD ，所以MF ∥BN 且MF ＝BN ，所以四边形BNMF 为平行四边形，所以MN ∥BF. 又MN 平面BEC ，BF 平面BEC ，所以MN ∥平面BEC.证法2取AE 中点G ，连接MG ，GN.因为G 为AE 的中点，M 为DE 的中点，所以MG ∥AD. 又因为在矩形ABCD 中，BC ∥AD ，所以MG ∥BC. 又因为MG 平面BEC ，BC 平面BEC ， 所以MG ∥平面BEC.因为G为AE的中点，N为AB的中点，所以GN∥BE.又因为GN平面BEC，BE平面BEC，所以GN∥平面BEC.又因为MG∩GN＝G，MG，GN平面GMN，所以平面GMN∥平面BEC.又因为MN平面GMN，所以MN∥平面BEC.(2)因为四边形ABCD为矩形，所以BC⊥AB.因为平面ABCD⊥平面ABE，平面ABCD∩平面ABE＝AB，BC平面ABCD，且BC⊥AB，所以BC⊥平面ABE.因为AH平面ABE，所以BC⊥AH.因为AB＝AE，H为BE的中点，所以BE⊥AH.因为BC∩BE＝B，BC平面BEC，BE平面BEC，所以AH⊥平面BEC.又因为CE平面BEC，所以AH⊥CE.。
(完整版)立体几何证明垂直专项含练习题及答案.doc
精品字里行间精品文档立体几何证明 ------ 垂直一. 复习引入1.空间两条直线的位置关系有： _________,_________,_________三种。
2.（公理 4）平行于同一条直线的两条直线互相 _________.3.直线与平面的位置关系有 _____________,_____________,_____________三种。
4.直线与平面平行判定定理 : 如果 _________的一条直线和这个平面内的一条直线平行，那么这条直线和这个平面平行5.直线与平面平行性质定理：如果一条直线和一个平面平行，经过这条直线的平面和这个平面相交，那么 _________________________.6.两个平面的位置关系 :_________,_________.7.判定定理 1：如果一个平面内有 _____________直线都平行于另一个平面，那么这两个平面平行 .8.线面垂直性质定理：垂直于同一条直线的两个平面 ________.9.如果两个平行平面同时和第三个平面相交，那么它们的________平行 .10.如果两个平面平行，那么其中一个平面内的所有直线都 _____于另一个平面 . 二．知识点梳理知识点一、直线和平面垂直的定义与判定定义语言描述如果直线l 和平面α内的任意一条直线都垂直，我们就说直线 l 与平面互相垂直，记作 l ⊥α图形判定一条直线与一个平面内的两条相交直线都垂直，则这条直线与该平面垂直 .条件 b 为平面α内的任一直线，而 l 对这l ⊥m， l ⊥n，m∩n＝B，m ，一直线总有 l ⊥αn结论l ⊥l ⊥要点诠释：定义中“平面内的任意一条直线”就是指“平面内的所有直线”，这与“无数条直线”不同（线线垂直线面垂直）知识点二、直线和平面垂直的性质性质语言描述一条直线垂直于一个平面，那么这条垂直于同一个平面的两条直线平行.直线垂直于这个平面内的所有直线图形条件结论知识点三、二面角Ⅰ .二面角：从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫二面角（dihedral angle）. 这条直线叫做二面角的棱，这两个半平面叫做二面角的面. 记作二面角－AB－. （简记P－AB－Q）二面角的平面角的三个特征:ⅰ.点在棱上ⅱ.线在面内ⅲ .与棱垂直Ⅱ .二面角的平面角：在二面角－l－的棱l上任取一点O，以点O为垂足，在半平面,内分别作垂直于棱 l 的射线 OA 和 OB ，则射线 OA 和 OB 构成的AOB叫做二面角的平面角.作用：衡量二面角的大小；范围：001800.知识点四、平面和平面垂直的定义和判定定义判定文字描述两个平面相交，如果它们所成的二面一个平面过另一个平面的垂线，则这角是直二面角，就说这两个平面垂两个平面垂直直.图形结果α∩β =lα-l-β=90oα⊥β（垂直问题中要注意题目中的文字表述，特别是“任何”“ 随意”“无数”等字眼）三．常用证明垂直的方法立体几何中证明线面垂直或面面垂直都可转化为线线垂直，而证明线线垂直一般有以下的一些方法：（ 1）通过“平移”。
空间立体几何中的平行与垂直 课后练习(解析版)
空间立体几何中的平行与垂直课后练习（解析版）1.如图，在多面体中，底面是梯形，且，直角梯形中，且，是锐角，且平面平面。
（Ⅰ）求证：；（Ⅱ）试判断直线与平面的位置关系，并证明你的结论。
【答案】（Ⅰ）取中点，连结，因为底面是梯形，且，易证四边形为平行四边形，所以，所以，所以。
因为平面平面，且平面平面，所以平面，而平面，故。
（Ⅱ）平面，以下证明：取的中点，连结、。
在平面中，、，故。
在直角梯形中，且，故。
而、平面，，而平面，，故平面平面，而平面，从而平面。
【解析】本题主要考查直线与直线和直线与平面的位置关系。
（Ⅰ）利用题中所给线段关系先证明，又因为平面平面且交线为，所以平面，又平面，所以。
（Ⅱ）取中点，因为，所以；另外也有，进而可证得。
再根据四边形为直角梯形，且，可得。
再通过平面与平面平行的判定定理，证明平面平面；又平面，于是平面。
2.四棱锥中，底面为平行四边形，侧面底面，，分别是，的中点．已知，，，。
（1）证明：平面；（2）证明：；（3）求直线与平面所成角的正弦值。
【答案】解：（1）取中点，连结，。
因为，分别是，的中点，底面为平行四边形，所以，，又因为平面，平面，所以平面，平面，所以平面平面，所以平面。
......${30.769231}分（2）作，垂足为，连结。
因为侧面底面，所以底面，所以。
又因为，所以，又因为，所以为等腰直角三角形，。
所以平面，所以。
......${61.538462}分（3）由（2）知，因为，所以。
由，，，得，，所以的面积，连结，得的面积。
设到平面的距离为，由，得，解得。
设与平面所成角为，则，所以直线与平面所成角的正弦值为。
......${100}分【解析】本题主要考查空间几何体及点线面之间的位置关系。
（Ⅰ）要证明平面，可以先证明平面平面，而要证明面面平行则可用面面平行的判定定理来证；（Ⅱ）要证明，可用线线垂直的判定定理，即只需证平面即可；（Ⅲ）用等积法求出到平面的距离，再求出所成角的正弦值即可。
高三文科数学立体几何平行垂直问题专题复习(含答案)
高三文科数学专题复习:立体几何平行、垂直问题【根底学问点】一、平行问题1．直线及平面平行的断定及性质定义断定定理性质性质定理图形条件a∥α结论a∥αb∥αa∩α＝a∥b2. 面面平行的断定及性质断定性质定义定理图形条件α∥β，a⊂β结论α∥βα∥βa∥b a∥α平行问题的转化关系：二、垂直问题一、直线及平面垂直1．直线与平面垂直的定义：直线l及平面α内的都垂直，就说直线l及平面α相互垂直．2．直线及平面垂直的断定定理及推论文字语言图形语言符号语言断定定理一条直线及一个平面内的两条相交直线都垂直，那么该直线及此平面垂直推论假如在两条平行直线中，有一条垂直于平面，那么另一条直线也垂直这个平面3．直线及平面垂直的性质定理文字语言图形语言符号语言性质定理垂直于同一个平面的两条直线平行4.直线与平面垂直的常用性质①直线垂直于平面，那么垂直于平面内随意直线．②垂直于同一个平面的两条直线平行． ③垂直于同一条直线的两平面平行． 二、平面及平面垂直1．平面及平面垂直的断定定理【典例探究】 类型一、平行及垂直例1、如图，三棱锥A BPC -中，,,AP PC AC BC ⊥⊥M 为AB 中点，D为PB 中点，且△PMB 为正三角形。
〔Ⅰ〕求证：DM ∥平面APC ；〔Ⅱ〕求证：平面ABC ⊥平面APC ；〔Ⅲ〕假设BC 4=，20AB =，求三棱锥D BCM -的体积。
F D C1B1A1C例2. 如图，三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥底面ABC ，2AC BC ==，14AA =，22AB =M ，N 分别是棱1CC ，AB 中点.〔Ⅰ〕求证：CN ⊥平面11ABB A ； 〔Ⅱ〕求证：//CN 平面1AMB ；〔Ⅲ〕求三棱锥1B AMN -的体积．【变式1】. 如图，三棱柱111C B A ABC -中，侧棱1AA ⊥平面ABC ，ABC ∆为等腰直角三角形， 90=∠BAC ，且1AA AB =，F E D ,,分别是BC CC A B ,,11的中点。
2022届新高考数学专题突破必刷题：专题5
专题5.2 立体几何中的平行与垂直一、单选题1、（2020届山东省潍坊市高三上期中）m 、n 是平面α外的两条直线，在m ∥α的前提下，m ∥n 是n ∥α的（ ）A ．充分而不必要条件B ．必要而不充分条件C ．充分必要条件D ．既不充分也不必要条件 【答案】A【解析】//m α，则存在l α⊂有//m l .而由//m n 可得//n l ，从而有//n α.反之则不一定成立，,m n 可能相交，平行或异面.所以//m n 是//n α的充分不必要条件，故选A2、（2020年高考浙江）已知空间中不过同一点的三条直线l ，m ，n ．“l ，m ，n 共面”是“l ，m ，n 两两相交”的（ ）A ．充分不必要条件B ．必要不充分条件C ．充分必要条件D ．既不充分也不必要条件【答案】B【解析】依题意,,m n l 是空间不过同一点的三条直线，当,,m n l 在同一平面时，可能////m n l ，故不能得出,,m n l 两两相交. 当,,m n l 两两相交时，设,,m n A m l B n l C ⋂=⋂=⋂=，根据公理2可知,m n 确定一个平面α，而,B m C n αα∈⊂∈⊂，根据公理1可知，直线BC 即l α⊂，所以,,m n l 在同一平面.综上所述，“,,m n l 在同一平面”是“,,m n l 两两相交”的必要不充分条件.故选：B3、（2020届山东省滨州市三校高三上学期联考）设α，β为两个平面，则αβ∥的充要条件是（ ）A ．α内有无数条直线与β平行B ．α，β平行与同一个平面C ．α内有两条相交直线与β内两条相交直线平行D ．α，β垂直与同一个平面【答案】C【解析】对于A ，α内有无数条直线与β平行，可得α与β相交或α或β平行；对于B ，α，β平行于同一条直线，可得α与β相交或α或β平行；对于C ，α内有两条相交直线与β内两条相交直线平行，可得α∥β；对于D ，α，β垂直与同一个平面，可得α与β相交或α或β平行． 故选：C ．4、（2020届浙江省嘉兴市3月模拟）已知l ，m 是两条不同的直线，α是平面，且//m α，则（ ）A ．若//l m ，则//l αB ．若//l α，则//l mC ．若l m ⊥，则l α⊥D ．若l α⊥，则l m ⊥【答案】DA选项有可能线在面内的情形，错误；B选项中l与m还可以相交或异面，错误；C选项中不满足线面垂直的判定定理，错误，D选项中由线面垂直的性质定理可知正确.故选：D5、（2020·浙江高三）已知α，β是两个相交平面，其中l⊂α，则（）A．β内一定能找到与l平行的直线B．β内一定能找到与l垂直的直线C．若β内有一条直线与l平行，则该直线与α平行D．若β内有无数条直线与l垂直，则β与α垂直【答案】B【解析】由α，β是两个相交平面，其中l⊂α，知：在A中，当l与α，β的交线相交时，β内不能找到与l平行的直线，故A错误；在B中，由直线与平面的位置关系知β内一定能找到与l垂直的直线，故B正确；在C中，β内有一条直线与l平行，则该直线与α平行或该直线在α内，故C错误；在D中，β内有无数条直线与l垂直，则β与α不一定垂直，故D错误．6、（2019年高考全国Ⅱ卷理数）设α，β为两个平面，则α∥β的充要条件是（ ）A ．α内有无数条直线与β平行B ．α内有两条相交直线与β平行C ．α，β平行于同一条直线D ．α，β垂直于同一平面 【答案】B【解析】由面面平行的判定定理知：α内两条相交直线都与β平行是αβ∥的充分条件，由面面平行性质定理知，若αβ∥，则α内任意一条直线都与β平行，所以α内两条相交直线都与β平行是αβ∥的必要条件，故选B ．7、（2020届浙江省高中发展共同体高三上期末）如果用,m n 表示不同直线，,,αβγ表示不同平面，下列叙述正确的是（ ）A ．若//m α，//m n ，则//n αB ．若//m n ，m α⊂，n β⊂，则//αβC ．若αγ⊥，βγ⊥，则//αβD ．若m α⊥，n α⊥，则//m n【答案】D【解析】选项A 中还有直线n 在平面α内的情况，故A 不正确，选项B 中再加上两条直线相交的条件可以得到两个平面平行，故B 不正确，选项C 中还有,αβ相交，故C 不正确，故选：D ．8、（2020届北京市陈经纶中学高三上学期8月开学数学试题）已知平面l αβ=，m 是α内不同于l 的直线，那么下列命题中错误．．的是（ ）A ．若//m β，则//m lB ．若//m l ，则//m βC ．若m β⊥，则m l ⊥D ．若m l ⊥，则m β⊥【答案】D【解析】A 选项：由线面平行的性质可知A 正确.B 选项：由线面平行的判定可知B 正确.C 选项：由线面垂直的性质可知C 正确.D 选项：因为一条直线垂直于平面内的一条直线不能推出直线垂直于平面，故D 错误.故选：D9、（2020届北京市陈经纶中学高三上学期10月月考）如图，点P 在正方体1111ABCD A B C D -的面对角线1BC 上运动，则下列四个结论： ①三棱锥1A D PC -的体积不变；1//A P ②平面1ACD ；1DP BC ⊥③；④平面1PDB ⊥平面1ACD ．其中正确的结论的个数是( )A ．1个B ．2个C ．3个D ．4个【答案】C【解析】对于①，由题意知11//AD BC ，从而1//BC 平面1AD C ，故BC 1上任意一点到平面1AD C 的距离均相等，所以以P 为顶点，平面1AD C 为底面，则三棱锥1A D PC -的体积不变，故①正确；对于②，连接1A B ，11A C ，111//AC AD 且相等，由于①知：11//AD BC ， 所以11//BA C 面1ACD ，从而由线面平行的定义可得，故②正确； 对于③，由于DC ⊥平面11BCB C ，所以1DC BC ⊥，若1DP BC ⊥，则1BC ⊥平面DCP ，1BC PC ⊥，则P 为中点，与P 为动点矛盾，故③错误；对于④，连接1DB ，由1DB AC ⊥且11DB AD ⊥，可得1DB ⊥面1ACD ，从而由面面垂直的判定知，故④正确．故选：C ．10、（北京市海淀区2019-2020学年高三上学期期末数学试题）已知α、β、γ是三个不同的平面，且m αγ=，n βγ=，则“//m n ”是“//αβ”的（ ）A ．充分而不必要条件B ．必要而不充分条件C ．充分必要条件D ．既不充分也不必要条件 【答案】B【解析】如下图所示，将平面α、β、γ视为三棱柱的三个侧面，设a αβ⋂=，将a 、m 、n 视为三棱柱三条侧棱所在直线，则“//m n ”⇒“//αβ”；另一方面，若//αβ，且m αγ=，n βγ=，由面面平行的性质定理可得出//m n . 所以，“//αβ”⇒“//m n ”，因此，“//m n ”是“//αβ”的必要而不充分条件. 故选：B.12、（2019年高考全国Ⅱ卷理数）如图，点N 为正方形ABCD 的中心，△ECD 为正三角形，平面ECD ⊥平面ABCD ，M 是线段ED 的中点，则（ ）A ．BM =EN ，且直线BM ，EN 是相交直线B ．BM ≠EN ，且直线BM ，EN 是相交直线C ．BM =EN ，且直线BM ，EN 是异面直线D ．BM ≠EN ，且直线BM ，EN 是异面直线【答案】B【解析】如图所示，作EO CD ⊥于O ，连接ON ，BD ，易得直线BM ，EN 是三角形EBD 的中线，是相交直线.过M 作MF OD ⊥于F ，连接BF ，平面CDE ⊥平面ABCD ，,EO CD EO ⊥⊂平面CDE ，EO ∴⊥平面ABCD ，MF ⊥平面ABCD ，MFB ∴△与EON △均为直角三角形．设正方形边长为2，易知12EO ON EN ===,，5,22MF BF BM ==∴=，BM EN ∴≠，故选B ．13、（2020届湖南省长沙市长郡中学高三第五次月考数学(文)试题）M N P分别为其如图所示的四个正方体中，,A B正方体的两个顶点，,,所在棱的中点，能得出//AB平面MNP的图形的序号为（）A．①②B．②③C．③④D．①②③【答案】D【解析】由题意结合正方体的性质：如图①，平面ABC∥平面MNP，则//AB平面MNP，①正确；如图②，平面ABC∥平面MNP，则//AB平面MNP，②正确；如图③，平面ABC∥平面MNP，则//AB平面MNP，③正确；如图④，平面AB∩平面MNP=A，则④错误；故选：D.14、（2020届浙江省台州市温岭中月模拟）如图，在直角梯形ABCD 中，BC CD ⊥，2AB BC ==，4CD =，E 为CD 中点，M ，N 分别为AD ，BC 的中点，将ADE 沿AE 折起，使点D 到1D ，M 到1M ，在翻折过程中，有下列命题： ①1M M 的最小值为1；②1//M N 平面1CD E ；③存在某个位置，使1M E DE ⊥；④无论1M 位于何位置，均有1M N AE ⊥.其中正确命题的个数为（ ）A ．1B ．2C ．3D ．4【答案】D【解析】 在直角梯形ABCD 中，BC CD ⊥， 2AB BC ==，4CD =，E 为CD 中点，M ，N 分别为AD ，BC 的中点，将ADE 沿AE 折起，使点D 到1D ，M 到1M ，在翻折过程中，当1D 与C 重合时，1M N 的最小值为1；所以①正确； 连接MN 交AE 于F 连接1M F ，可以证明平面1FM N //平面1CD E ，所以1 M N //平面1CD E ，所以②正确；当1D E ⊥平面ABCD 时，可得DE ⊥平面1D AE ，所以1M E DE ⊥，所以③正确；因为AE FN ⊥，1AE M F ⊥，所以直线AE ⊥平面1FM E ，所以无论1M 位于何位置，均有1M N AE ⊥.所以④正确；故选：D.二、多选题15、（2020届山东省泰安市高三上期末）已知,αβ是两个不重合的平面，,m n 是两条不重合的直线，则下列命题正确的是（ ）A ．若//m n m α⊥，，则n α⊥B ．若//,m n ααβ⋂=，则//m nC ．若m α⊥，m β⊥，则//αβD ．若,//,m m n n αβ⊥⊥，则//αβ【答案】ACD【解析】若m α⊥，则,a b α∃⊂且a b P =使得m a ⊥，m b ⊥，又//m n ，则n a ⊥，n b ⊥，由线面垂直的判定定理得n α⊥，故A 对；若//m α，n αβ=，如图，设m AB =，平面1111D C B A 为平面α，//m α，设平面11ADD A 为平面β，11A D n αβ⋂==，则m n ⊥，故B 错；垂直于同一条直线的两个平面平行，故C 对；若,//m m n α⊥，则n α⊥，又n β⊥，则//αβ，故D 对；故选：ACD ．16、（2020届山东省滨州市高三上期末）已知菱形ABCD 中，60BAD ∠=︒，AC 与BD 相交于点O ，将ABD △沿BD 折起，使顶点A 至点M ，在折起的过程中，下列结论正确的是（ ）A ．BD CM ⊥B ．存在一个位置，使CDM 为等边三角形C ．DM 与BC 不可能垂直D ．直线DM 与平面BCD 所成的角的最大值为60︒【答案】ABD【解析】A 选项，因为菱形ABCD 中，AC 与BD 相交于点O ，所以AO BD ⊥，CO BD ⊥；将ABD △沿BD 折起，使顶点A 至点M ，折起过程中，AO 始终与BD 垂直，因此MO BD ⊥，又MO CO ，由线面垂直的判定定理，可得：BD ⊥平面CMO ，因此BD CM ⊥，故A 正确；B 选项，因为折起的过程中，AD 边长度不变，因此MD CD =；若CDM 为等边三角形，则CM CD =；设菱形ABCD 的边长为2，因为60BAD ∠=︒，则sin 603AO AB =⋅=AO MO ==2CM CD ==，所以3341cos 233MOC +-∠==⨯，即二面角M BD C --的余弦值为13时，CDM 为等边三角形；故B 正确；C 选项，DM OM OD =-，BC OC OB =-，由A 选项知，MO BD ⊥，CO BD ⊥， 所以0OM OB OD OC ⋅=⋅=，因此()()DM BC OM OD OC OB OM OC OD OB ⋅=-⋅-=⋅-⋅， 同B 选项，设菱形ABCD 的边长为2，易得OC OM =1OB OD ==， 所以3cos 1DM BC MOC ⋅=∠+，显然当1cos 3MOC ∠=-时，0DM BC ⋅=，即DM BC ⊥；故C 错误；D 选项，同BC 选项，设菱形ABCD 的边长为2，则OM =1OD =，2MD =，由几何体直观图可知，当OM ⊥平面BCD ，直线DM 与平面BCD 所成的角最大，为MDO ∠，易知60MDO ∠=︒.故选：ABD.17、（2020届山东省济宁市高三上期末）己知m n 、为两条不重合的直线,αβ、为两个不重合的平面,则下列说法正确的是（ ）A ．若//,//m n αβ且//,αβ则//m nB ．若//,,,m n m n αβ⊥⊥则//αβC ．若//,,//,m n n m ααββ⊂⊄，则//m βD ．若//,,m n n ααβ⊥⊥，则//m β【答案】BC【解析】A. 若//,//m n αβ且//,αβ则可以//m n ，,m n 异面，或,m n 相交，故A 错误；B. 若//,,m n m α⊥则n α⊥，又,n β⊥故//αβ，B 正确；C. 若//,,m n n α⊂则m α或m α⊆，又//,m αββ⊄，故//m β，C 正确；D. 若//,,m n n α⊥则m α⊥，αβ⊥，则//m β或m β⊆，D 错误；故选：BC18、（2020届山东省枣庄、滕州市高三上期末）在正方体1111ABCD A B C D -中，N 为底面ABCD 的中心，P 为线段11A D 上的动点（不包括两个端点），M 为线段AP 的中点，则（ ）A ．CM 与PN 是异面直线B ．CM PN >C ．平面PAN ⊥平面11BDD BD ．过P ，A ，C 三点的正方体的截面一定是等腰梯形【答案】BCD【解析】 ,,C N A 共线，即,CN PM 交于点A ，共面，因此,CM PN 共面，A 错误；记PAC θ∠=，则2222212cos cos 4PN AP AN AP AN AP AC AP AC θθ=+-⋅=+-⋅， 2222212cos cos 4CM AC AM AC AM AC AP AP AC θθ=+-⋅=+-⋅，又AP AC <， 22223()04CM PN AC AP -=->，22CM PN >，即CM PN >．B 正确； 由于正方体中，AN BD ⊥，1BB ⊥平面ABCD ，则1BB AN ⊥，1BB BD B ⋂=，可得AN ⊥平面11BB D D ，AN ⊂平面PAN ，从而可得平面PAN ⊥平面11BDD B ，C 正确；取11C D 中点K ，连接11,,KP KC AC ，易知11//PK A C ，又正方体中，11//A C AC ，PK AC共面，PKCA就是过P，A，C三点的正方体的截∴//PK AC，,面，它是等腰梯形．D正确．故选：BCD.19、（2020·蒙阴县实验中学高三期末）已知四棱锥P ABCD-，底面ABCD为矩形，侧面PCD⊥平面ABCD，BC=，CD PC PD===.若点M为PC的中点，则下列说法正确的为（）A．BM⊥平面PCDB．//PA面MBDC．四棱锥M ABCD-外接球的表面积为36πD．四棱锥M ABCD-的体积为6【答案】BC【解析】作图在四棱锥P ABCD-中：由题：侧面PCD⊥平面ABCD，交线为CD，底面ABCD为矩形，BC CD⊥，则BC⊥平面PCD，过点B只能作一条直线与已知平面垂直，所以选项A 错误；连接AC 交BD 于O ，连接MO ，PAC ∆中，OM ∥PA ，MO ⊆面MBD ， PA ⊄面MBD ，所以//PA 面MBD ，所以选项B 正确；四棱锥M ABCD -的体积是四棱锥P ABCD -的体积的一半，取CD 中点N ，连接PN ，PN CD ⊥，则PN 平面ABCD ，PN =M ABCD -的体积111223M ABCD V -=⨯⨯=所以选项D 错误.矩形ABCD 中，易得6,3,AC OC ON ===PCD 中求得：12NM PC ==在Rt MNO 中3MO == 即： OM OA OB OC OD ====，所以O 为四棱锥M ABCD -外接球的球心，半径为3，所以其体积为36π，所以选项C 正确故选：BC三、填空题20、（2020届山东省潍坊市高三上学期统考）如图，已知六棱锥P －ABCDEF 的底面是正六边形，PA ⊥平面ABC ，PA ＝2AB ，则下列结论中：①PB ⊥AE ；②平面ABC ⊥平面PBC ；③直线BC ∥平面PAE ；④∠PDA ＝45°.其中正确的有________(把所有正确的序号都填上)【答案】①④【解析】对于①，因为PA ⊥平面ABC ，所以PA ⊥AE ，又,EA AB PA AB A ⊥⋂=，所以EA ⊥平面PAB ，从而可得EA PB ⊥，故①正确．对于②，由于PA ⊥平面ABC ，所以平面ABC 与平面PBC 不可能垂直，故②不正确．对于③，由于在正六边形中BC AD ∥，所以BC 与EA 必有公共点，从而BC 与平面PAE 有公共点，所以直线BC 与平面PAE 不平行，故③不正确．对于④，由条件得PAD ∆为直角三角形，且PA ⊥AD ，又2PA AB AD ==，所以∠PDA=45°．故④正确．综上①④正确．答案：①④21、（2019年高考北京卷理数）已知l ，m 是平面α外的两条不同直线．给出下列三个论断：①l ⊥m ； ②m ∥α； ③l ⊥α．以其中的两个论断作为条件，余下的一个论断作为结论，写出一个正确的命题：__________．【答案】如果l ⊥α，m ∥α，则l ⊥m .【解析】将所给论断，分别作为条件、结论，得到如下三个命题：（1）如果l ⊥α，m ∥α，则l ⊥m ，正确；（2）如果l ⊥α，l ⊥m ，则m ∥α，不正确，有可能m 在平面α内； （3）如果l ⊥m ，m ∥α，则l ⊥α，不正确，有可能l 与α斜交、l∥α.故答案为：如果l⊥α，m∥α，则l⊥m.22、(2018南京三模）已知α，β是两个不同的平面，l，m是两条不同的直线，有如下四个命题：①若l⊥α，l⊥β，则α∥β；②若l⊥α，α⊥β，则l∥β；③若l∥α，l⊥β，则α⊥β；④若l∥α，α⊥β，则l⊥β．其中真命题为______（填所有真命题的序号）．【答案】:①③【解析】：①考查定理：垂直同一直线的两个平面平行；②直线l 可能在平面β内；③正确；④不一定垂直；23、(2017南京、盐城二模）已知α，β为两个不同的平面，m，n为两条不同的直线，下列命题中正确的是________(填上所有正确命题的序号)．①若α∥β，m⊂α，则m∥β；②若m∥α，n⊂α，则m∥n；③若α⊥β，α∩β＝n，m⊥n，则m⊥β；④若n⊥α，n⊥β，m ⊥α，则m⊥β.【答案】①④【解析】：思路分析逐一判断每个命题的真假．①这是面面平行的性质，正确；②只能确定m，n没有公共点，有可能异面，错误；③当m⊂α时，才能保证m⊥β，错误；④由m ⊥α，n⊥α，得m∥n，又n⊥β，所以m⊥β，正确．24、(2016南京三模）已知α，β是两个不同的平面，l，m是两条不同的直线，l⊥α，m⊂β.给出下列命题：①α∥β⇒l ⊥m ； ②α⊥β⇒l ∥m ；③m ∥α⇒l ⊥β； ④l ⊥β⇒m ∥α.其中正确的命题是________(填写所有正确命题的序号．．．．．．．．．．．)． 【答案】. ①④【解析】：①由l ⊥α，α∥β，得l ⊥β，又因为m ⊂β，所以l ⊥m ； ②由l ⊥α，α⊥β，得l ∥β或l ⊂β，又因为m ⊂β，所以l 与m 或异面或平行或相交；③由l ⊥α，m ∥α，得l ⊥m .因为l 只垂直于β内的一条直线m ，所以不能确定l 是否垂直于β；④由l ⊥α，l ⊥β，得α∥β.因为m ⊂β，所以m ∥α.四、解答题25、（2020年高考江苏）在三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，AB ⊥AC ，B 1C ⊥平面ABC ，E ，F 分别是AC ，B 1C 的中点．（1）求证：EF ∥平面AB 1C 1；（2）求证：平面AB 1C ⊥平面ABB 1．【解析】因为,E F 分别是1,AC B C 的中点，所以1EF AB ∥.又/EF ⊂平面11AB C ，1AB ⊂平面11AB C ，所以EF ∥平面11AB C .（2）因为1B C ⊥平面ABC ，AB ⊂平面ABC , 所以1B C AB ⊥.又AB AC ⊥,1B C ⊂平面11AB C ,AC ⊂平面1AB C ,1,B C AC C =所以AB ⊥平面1AB C .又因为AB ⊂平面1ABB ,所以平面1AB C ⊥平面1ABB .26、（2019年高考江苏卷）如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，D ，E 分别为BC ，AC 的中点，AB =BC ． 求证：（1）A 1B 1∥平面DEC 1； （2）BE ⊥C 1E ．【答案】（1）见解析；（2）见解析.【解析】（1）因为D ，E 分别为BC ，AC 的中点，所以ED∥AB.在直三棱柱ABC−A1B1C1中，AB∥A1B1，所以A1B1∥ED.又因为ED⊂平面DEC1，A1B1 平面DEC1，所以A1B1∥平面DEC1.（2）因为AB=BC，E为AC的中点，所以BE⊥AC.因为三棱柱ABC−A1B1C1是直棱柱，所以CC1⊥平面ABC.又因为BE⊂平面ABC，所以CC1⊥BE.因为C1C⊂平面A1ACC1，AC⊂平面A1ACC1，C1C∩AC=C，所以BE⊥平面A1ACC1.因为C1E⊂平面A1ACC1，所以BE⊥C1E.27、(2019南通、泰州、扬州一调）如图，在四棱锥PABCD中，M，N分别为棱PA，PD的中点．已知侧面PAD⊥底面ABCD，底面ABCD 是矩形，DA＝DP.求证：(1)MN∥平面PBC；（2）MD⊥平面PAB.【证明】(1)在四棱锥P－ABCD中，M，N分别为棱PA，PD的中点，所以MN∥AD.(2分)又底面ABCD是矩形，所以BC∥AD.所以MN∥BC.(4分)又BC⊂平面PBC，MN⊄平面PBC，所以MN∥平面PBC. (6分)(2)因为底面ABCD是矩形，所以AB⊥AD.又侧面PAD⊥底面ABCD，侧面PAD∩底面ABCD＝AD，AB⊂底面ABCD，所以AB⊥侧面PAD.(8分)又MD⊂侧面PAD，所以AB⊥MD.(10分)因为DA＝DP，又M为AP的中点，从而MD⊥PA. (12分)又PA，AB在平面PAB内，PA∩AB＝A，所以MD⊥平面PAB.(14分)28、(2019南京、盐城二模）如图，在三棱柱ABCA1B1C1中，AB＝AC，A1C⊥BC1，AB1⊥BC1，D，E分别是AB1和BC的中点．求证：(1)DE∥平面ACC1A1；(2)AE⊥平面BCC1B1.规范解答(1)连结A1B，在三棱柱ABCA1B1C1中，AA1∥BB1且AA1＝BB1，所以四边形AA1B1B是平行四边形．又因为D是AB1的中点，所以D也是BA1的中点．(2分)在△BA1C中，D和E分别是BA1和BC的中点，所以DE∥A1C.又因为DE⊄平面ACC1A1，A1C⊂平面ACC1A1，所以DE∥平面ACC1A1.(6分)(2)由(1)知DE∥A1C，因为A1C⊥BC1，所以BC1⊥DE.(8分)又因为BC1⊥AB1，AB1∩DE＝D，AB1，DE⊂平面ADE，所以BC1⊥平面ADE.又因为AE⊂平在ADE，所以AE⊥BC1.(10分)在△ABC中，AB＝AC，E是BC的中点，所以AE⊥BC.(12分)因为AE⊥BC1，AE⊥BC，BC1∩BC＝B，BC1，BC⊂平面BCC1B1，所以AE⊥平面BCC1B1. (14分)29、(2019苏锡常镇调研（一））如图，三棱锥DABC中，已知AC⊥BC，AC⊥DC，BC＝DC，E，F分别为BD，CD的中点．求证：(1) EF∥平面ABC；(2) BD⊥平面ACE..规范解答(1)三棱锥DABC中，因为E为DB的中点，F为DC 的中点，所以EF∥BC，(3分)因为BC⊂平面ABC，EF⊄平面ABC，所以EF∥平面ABC.(6分)(2)因为AC⊥BC，AC⊥DC，BC∩DC＝C，BC，DC⊂平面BCD所以AC⊥平面BCD，(8分)因为BD⊂平面BCD，所以AC⊥BD，(10分)因为DC＝BC，E为BD的中点，所以CE⊥BD，(12分)因为AC∩CE＝C，AC，CE⊂平面ACE，所以BD⊥平面ACE.(14分)30、（2020届江苏省海安中金陵中新海高级中学高三12月联考）如图，在四棱锥P ABCD-中，已知底面ABCD为矩形，且AB=1BC=，E，F分别是AB，PC的中点，PA DE⊥.(1)求证：//EF平面PAD；(2)求证：平面PAC⊥平面PDE．【解析】(1)取PD中点G，连AG，FG，F，G分别是PC，PD的中点//FG CD ∴，且12 FG CD=又E为AB中点//AE CD ∴，且12 AE CD=//AE FG∴，AE FG=四边形AEFG为平行四边形//EF AG∴，又EF⊄平面PAD，AG⊂平面PAD //EF∴平面PAD(2)设AC DE H =由AEH CDH ∆∆及E 为AB 中点 得12AH AE CH CD == 又2AB =1BC =AC ∴133AH AC ==AH AB AE AC ∴== 又BAD ∠为公共角GAE BAC ∴∆∆90AHE ABC ∴∠=∠=︒即DE AC ⊥又DE PA ⊥，PA AC A =DE ⊥平面PAC ，又DE ⊂平面PDE∴平面PAC ⊥平面PDE31、（2020届江苏省海安中金陵中新海高级中学高三12月联考）如图，在四棱锥P −ABCD 中，已知棱AB ，AD ，AP 两两垂直，长度分别为1，2，2.若DC ⃑⃑⃑⃑⃑ =λAB ⃑⃑⃑⃑⃑ （λ∈R ），且向量PC⃑⃑⃑⃑⃑ 与BD ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 夹角的余弦值为√1515.（1）求λ的值；（2）求直线PB 与平面PCD 所成角的正弦值.【解析】（1）依题意，以A 为坐标原点，AB 、AD 、AP 分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系A −xyzB(1,0,0),D(0,2,0),P(0,0,2)，因为DC ⃑⃑⃑⃑⃑ =λAB ⃑⃑⃑⃑⃑ ，所以C(λ,2,0)， 从而PC ⃑⃑⃑⃑⃑ =(λ,2,−2)，则由cos〈PC ⃑⃑⃑⃑⃑ ,BD ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 〉=√1515，解得λ=10（舍去）或λ=2.（2）易得PC ⃑⃑⃑⃑⃑ =(2,2,−2)，PD ⃑⃑⃑⃑⃑ =(0,2,−2)，设平面PCD 的法向量n ⃑ =(x,y,z)，则n ⃑ ⋅PC ⃑⃑⃑⃑⃑ =0，n ⃑ ⋅PD ⃑⃑⃑⃑⃑ =0，即x +y −z =0，且y −z =0，所以x =0， 不妨取y =z =1，则平面PCD 的一个法向量n ⃑ =(0,1,1)，又易得PB ⃑⃑⃑⃑⃑ =(1,0,−2)， 故cos〈PB⃑⃑⃑⃑⃑ ,n ⃑ 〉=PB ⃑⃑⃑⃑⃑ ⋅n⃑ |PB⃑⃑⃑⃑⃑ |⋅|n ⃑ |=−√105， 所以直线PB 与平面PCD 所成角的正弦值为√105.32、（2020届江苏南通市高三基地学校第一次大联考数学试题）如图，在三棱锥A BCD -中，,AB AD BC BD =⊥.E 为CD 的中点，O 为BD 上一点，且AO ⊥平面BCD .求证：（1）//BC 平面AOE ； （2）平面ABD ⊥平面AOE .【答案】（1）证明见解析；（2）证明见解析.【解析】（1）因为AO ⊥平面,BCD BD ⊂平面BCD ，所以AO BD ⊥. 因为,AB AD O =为BD 一点，所以O 为BD 中点. 因为E 为CD 的中点，所以//BC OE .因为BC ⊄平面,AOE OE ⊂平面AOE ，所以//BC 平面AOE .（2）因为AO ⊥平面,BCD AO ⊂平面ABD ，所以平面ABD ⊥平面BCD .因为,//BC BD BC OE ⊥，所以OE BD ⊥.因为OE ⊂平面BCD ，平面ABD ⋂平面BCD BD =，所以OE ⊥平面ABD . 因为OE ⊂平面AOE ，所以平面ABD ⊥平面AOE .。
专题08 立体几何中的平行与垂直问题(解析版)
专题08立体几何中的平行与垂直问题【考点预测】1.证明空间中直线、平面的平行关系（1）证明直线与平面平行的常用方法：①利用定义，证明直线a 与平面α没有公共点，一般结合反证法证明；②利用线面平行的判定定理，即线线平行⇒线面平行.辅助线的作法为：平面外直线的端点进平面，同向进面，得平行四边形的对边，不同向进面，延长交于一点得平行于第三边的线段；③利用面面平行的性质定理，把面面平行转化成线面平行；（2）证明面面平行的常用方法：①利用面面平行的定义，此法一般与反证法结合；②利用面面平行的判定定理；③利用两个平面垂直于同一条直线；④证明两个平面同时平行于第三个平面.（3）证明线线平行的常用方法：①利用直线和平面平行的判定定理；②利用平行公理；2.证明空间中直线、平面的垂直关系（1）证明线线垂直的方法①等腰三角形底边上的中线是高；②勾股定理逆定理；③菱形对角线互相垂直；④直径所对的圆周角是直角；⑤向量的数量积为零；⑥线面垂直的性质（）；⑦平行线垂直直线的传递性（∥）.（2）证明线面垂直的方法①线面垂直的定义；②线面垂直的判定（）； ③面面垂直的性质（）；平行线垂直平面的传递性（∥）；⑤面面垂直的性质（）. （3）证明面面垂直的方法①面面垂直的定义；②面面垂直的判定定理（）.,a b a b αα⊥⊂⇒⊥,a c a ⊥b b c ⇒⊥,,,,a b a c c b bc P a ααα⊥⊥⊂⊂=⇒⊥,,,b a b a a αβαβαβ⊥=⊥⊂⇒⊥,a b α⊥a b α⇒⊥,,l l αγβγαβγ⊥⊥=⇒⊥,a a βααβ⊥⊂⇒⊥【典型例题】例1．（2022·全国·高一课时练习）下列命题：①垂直于同一条直线的两个平面互相平行；②垂直于同一个平面的两条直线互相平行；③一条直线在平面内，另一条直线与这个平面垂直，则这两条直线互相垂直．其中正确的个数是（ ）A ．0B ．1C ．2D ．3【答案】D【解析】【分析】①应用反证法：AB α⊥于A ，AB β⊥于B ，假设,αβ不平行，利用线面垂直的性质及三角形的内角和得到矛盾，即可判断；②③根据线面垂直的性质判断即可.【详解】①如下图，若AB α⊥于A ，AB β⊥于B ，假设,αβ不平行，则,αβ相交，，令l αβ=，在l 任找一点C ，连接,AC BC ，则,,A B C 为三角形，由,AC BC αβ⊂⊂，则AB AC ⊥，AB BC ⊥，即90BAC ABC ∠=∠=︒，显然,,A B C 不能构成三角形，与假设矛盾，所以,αβ平行，正确.②由线面垂直的性质定理知：垂直于同一个平面的两条直线互相平行，正确；③由线面垂直的性质知：一条直线与平面垂直，则垂直于平面内所有直线，正确； 故选：D例2．（2022·河南开封·高一期中）已知直线a ，b ，平面,αβ，则下列命题中正确的是（ ）A ．,a αβα⊥⊂，则a β⊥B ．//,//a αβα，则a β∥C ．//,a b ββ⊂，则//a bD ．a 与b 互为异面直线，//,//,//,//a a b b αβαβ，则//αβ【答案】D【解析】【分析】根据空间中直线与直线、直线与平面、平面与平面的位置关系判断即可.【详解】A 选项中，只有直线a 与两平面的交线垂直的时候结论才成立；B 选项中，还有可能a β⊂；C 选项中，两直线a ，b 平行或异面；D 选项中，过直线a 上一点做//b b '，则相交直线a ，b '确定一个平面，设为γ，易得//γα且//γβ，所以//αβ；故选：D ．（多选题）例3．（2022·河南开封·高一期中）如图，在棱长均相等的正四棱锥P ABCD -中，M 、N 分别为侧棱PA 、PB 的中点，O 是底面四边形ABCD 对角线的交点，下列结论正确的有（ ）A ．//PC 平面OMNB ．平面//PCD 平面OMNC ．OM PA ⊥D ．PD ⊥平面OMN【答案】ABC【解析】【分析】 A 选项，由中位线证明线线平行，推导出线面平行；B 选项，在A 选项的基础上证明面面平行；从而推导出D 错误；由勾股定理的逆定理得到PA PC ⊥，从而得到OM PA ⊥.【详解】因为O 为底面四边形ABCD 对角线的交点，所以O 为AC 的中点，由M 是PA 的中点，可得∥PC MO ，因为PC ⊄在平面OMN ，OM ⊂平面OMN ，所以//PC 平面OMN ，A 正确；同理可推得//PD 平面OMN ，⋂=，而PC PD PPCD平面OMN，B正确；所以平面//因为PD⊂平面PCD，故PD不可能垂直平面OMN，D错误；设该正四棱锥的棱长为a，则,2PA PC a AC a，===⊥，所以PA PCPC MO，因为∥⊥，C正确.所以OM PA故选ABC．例4．（2022·全国·高一课时练习）如图，三棱台DEFABC中，AB＝2DE，G，H分别为AC，BC的中点．(1)求证：BD∥平面FGH；(2)若CF⊥BC，AB⊥BC，求证：平面BCD⊥平面EGH．【答案】(1)证明见解析(2)证明见解析【解析】【分析】（1）由已知，连接DG，CD与FG交与点M，先证明四边形CFDG是平行四边形，从而得到DM＝MC．结合BH＝HC，可证明MH∥BD，再使用线面平行的判定定理即可证明；（2）先证明四边形EFCH是平行四边形，从而得到CF∥HE．因为CF⊥BC，所以HE⊥BC，再证明GH∥AB，因为AB⊥BC，所以GH⊥BC，从而利用线面垂直的判定定理证明BC⊥平面EGH，再使用面面垂直的判定定理即可完成证明.(1)如图所示，连接DG ，设CD ∩GF ＝M ，连接MH ．在三棱台DEF ABC 中，AB ＝2DE ，所以AC ＝2DF ．因为G 是AC 的中点，所以DF ∥GC ，且DF ＝GC ，所以四边形CFDG 是平行四边形，所以DM ＝MC ．因为BH ＝HC ，所以MH ∥BD ． 又BD ⊄平面FGH ，MH ⊂平面FGH ，所以BD ∥平面FGH ．(2)因为G ，H 分别为AC ，BC 的中点，所以GH ∥AB ．因为AB ⊥BC ，所以GH ⊥BC ．又H 为BC 的中点，所以EF ∥HC ，EF ＝HC ，所以四边形EFCH 是平行四边形，所以CF ∥HE ．因为CF ⊥BC ，所以HE ⊥BC ．又HE ，GH ⊂平面EGH ，HE ∩GH ＝H ，所以BC ⊥平面EGH ．又BC ⊂平面BCD ，所以平面BCD ⊥平面EGH ．例5．（2022·全国·高一期中）在正方体1111ABCD A B C D -中，M 、N 分别是AB 、AD 的中点，E 、F 、P 分别是11B C 、1BB 、1DD 的中点.(1)证明：MN ∥平面11BDD B ；(2)证明：1CA MN ⊥；(3)请判断直线EF 与平面MNP 位置关系（不需说明理由）.【答案】(1)证明见详解；(2)证明见详解；(3)EF ⊂平面MNP ．【解析】【分析】（1）因为MN BD ∥，根据线面平行判定即可证明；（2）先证MN ⊥平面1A AC ，根据线面垂直性质即可证明线线垂直；（3）连接11C D 中点G 如图所示即可判断结果．(1)∵MN BD ∥，MN ⊂面11BDD B ，BD ⊂平面11BDD B ，∴MN ∥平面11BDD B ；(2)1AA ⊥平面ABCD ，MN ⊂平面ABCD ，∴1AA MN ⊥∵AC BD ⊥，MN BD ∥∴AC MN ⊥．又∵1AA AC A =，∴MN ⊥平面1A AC ，∴1CA MN ⊥．(3) EF ⊂平面MNP例6．（2022·河南开封·高一期中）在条件①AC BC ⊥；②1AB AC =；③平面1AB C ⊥平面11BB C C 中任选一个，补充到下面的问题中，并给出问题解答．问题：如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，1BC CC =，且________，求证：11BC AB ⊥．【答案】证明见解析【解析】【分析】选条件①：将证明11BC AB ⊥转化为证明1BC ⊥平面1AB C ，再根据线面垂直的判定定理分析所需条件，将所需条件不断转化为线线垂直、线面垂直，结合已知可证；选择②：设11BC B C M ⋂=，连接AM ，利用等腰三角形的性质可证1BC ⊥平面1AB C ，然后可证；选择③：根据面面垂直的性质定理可证1BC ⊥平面1AB C ，然后可证.【详解】（情况一）补充条件①AC BC ⊥．证明：在直棱柱111ABC A B C -中，1BB ⊥平面ABC ，因为AC ⊂平面ABC ，所以1BB AC ⊥．因为1,⊥=AC BC BC BB B ，BC ⊂平面11BB C C ，1BB ⊂平面11BB C C所以AC ⊥平面11BB C C ．因为1BC ⊂平面11BB C C ，所以1AC BC ⊥，因为1BC CC =，所以四边形11BB C C 为菱形，所以11B C BC ⊥．因为1AC B C C ⋂=，AC ⊂平面1AB C ，1B C ⊂平面1AB C所以1BC ⊥平面1AB C ．因为1AB ⊂平面1AB C ，所以11BC AB ⊥．（情况二）补充条件②1AB AC =．证明：设11BC B C M ⋂=，连接AM ．因为1AB AC =，M 为1BC 的中点，所以1AM BC ⊥．因为1BC CC =，所以四边形11BB C C 为菱形，所以11B C BC ⊥．因为AM ⊂平面11,AB C B C ⊂平面11,=AB C AMB C M ， 所以1BC ⊥平面1AB C ．因为1AB ⊂平面1AB C ，所以11BC AB ⊥，（情况三）补充条件③平面1AB C ⊥平面11BB C C ．证明：在棱柱111ABC A B C -中，因为1BC CC =，所以四边形11BB C C 为菱形，所以11B C BC ⊥．因为平面1AB C ⊥平面11BB C C ，平面1AB C平面1111,=⊂BB C C B C BC 平面11BB C C ，所以1BC ⊥平面1AB C ．因为1AB ⊂平面1AB C ，所以11BC AB ⊥．例7．（2022·全国·高一课时练习）如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 为矩形，平面PAD ⊥平面ABCD ，PA PD ⊥，PA PD =，,E F 分别为,AD PB 的中点．(1)求证：PE BC ⊥；(2)求证：平面PAB ⊥平面PCD ；【答案】(1)证明见解析(2)证明见解析【解析】【分析】（1）根据等腰三角形的性质得到PE AD ⊥，再根据//BC AD 可得PE BC ⊥； （2）根据面面垂直的性质定理得到AB ⊥平面PAD ，进一步得到AB PD ⊥，再根据线面垂直的判定定理得到PD ⊥平面PAB ，最后根据面面垂直的判定定理可证平面PAB ⊥平面PCD .(1)因为PA PD =，E 为AD 的中点，所以PE AD ⊥.因为底面ABCD 为矩形，所以//BC AD ，所以PE BC ⊥.(2)因为底面ABCD 为矩形，所以AB AD ⊥.又因为平面PAD ⊥平面ABCD ，所以AB ⊥平面PAD ，所以AB PD ⊥.又因为PA PD ⊥，PA AB A =，所以PD ⊥平面PAB .因为PD⊂平面PCD，所以平面PAB⊥平面PCD.例8．（2022·山西·大同一中高一阶段练习）如图，在四面体P ABD中，AD⊥平面P AB，PB ⊥P A(1)求证：PB⊥平面APD；(2)若AG⊥PD，G为垂足，求证：AG⊥BD．【答案】(1)证明见解析；(2)证明见解析.【解析】【分析】（1）由线面垂直的性质有AD PB⊥，再根据线面垂直的判定证结论.（2）由（1）及面面垂直的判定可得面PBD⊥面APD，再由面面垂直的性质有AG⊥面PBD，根据线面垂直的性质即可证结论.(1)由AD⊥平面P AB，PB⊂面PAB，则AD PB⊥，又PB⊥P A，PA AD A⋂=，则PB⊥平面APD；(2)由（1）及PB⊂面PBD，则面PBD⊥面APD，=，AG⊥PD，AG⊂面APD，又面PBD面APD PD所以AG⊥面PBD，而BD⊂面PBD，所以AG⊥BD．【过关测试】一、单选题1．（2022·江苏·海安县实验中学高一期中）如图，在下列四个正方体中，A，B为正方体的两个顶点，M，N，Q为所在棱的中点，则在这四个正方体中，直线AB与平面MNQ不平行的是（）．A．B．C．D．【答案】A【解析】【分析】根据线面平行的判定定理，结合图形逐一分析各个选项，即可得答案.【详解】⋂=，连接QO，对于A：如图所示，连接BC、DE，设BC DE O∕∕，因为Q、O分别为所在棱的中点，所以AB QOMNQ Q，即直线QO与平面MNQ不平行，又QO⋂平面=所以直线AB与平面MNQ不平行，故A符合题意；对于B：如图所示，取DG的中点E，连接CB、AD、EQ、NE，则////MQ CB MN AC ，，且AC CB C MNMQ M ==，，所以平面//ACBD 平面MNQE ，又AB 平面ACBD ，AB ⊄平面MNQ ， 所以AB ∕∕平面MNQ ，故B 不符合题意.对于C ：如图所示，连接DC ，则//AB DC ，因为M 、Q 为所在棱的中点，所以//MQ DC ，又MQ 平面MNQ ，DC ⊄平面MNQ ，所以//DC 平面MNQ ，所以//AB 平面MNQ ，故C 不符合题意；对于D ：如图所示，连接DC ，//AB DC ，因为Q 、N 为所在棱的中点，所以NQ CD ∕∕，所以//AB NQ ，又NQ ⊂平面MNQ ，AB ⊄平面MNQ ，所以AB ∕∕平面MNQ ，故D 不符合题意.故选：A.2．（2022·广东·海珠外国语实验中学高一期中）已知平面α平面l β=，直线//,//a a αβ，则直线a 与l 的位置关系是（ ） A ．平行或异面 B ．相交 C ．平行 D ．异面【答案】C【解析】【分析】过a 作平面m γα=、n ηβ=，由线面平行的性质得//m a 、//n a ，即//m n ，根据线面平行判定及性质有//m l ，最后由平行公理的推论判断直线a 与l 的位置关系.【详解】过a 作平面m γα=，//a α，则//m a ， 过a 作平面n ηβ=，//a β，则//n a所以//m n ，m β⊄，n β⊂，则//m β，而m α⊂，平面α平面l β=，则//m l ， 综上，//a l .故选：C3．（2022·广东·广州市第四十一中学高一阶段练习）已知直线m 、n 和平面αβ、，下列命题正确的是（ ）A ．若,m n n α∥∥，则m αB ．若,,m n m n ααβ⊂∥∥、，则αβ∥C ．若,,m n αβαβ⊂⊂∥，则m n ∥D ．若α∥,m ββ⊂，则m α 【答案】D【解析】【分析】本题考查平行关系的理解，常见错误有对平行线传递性的误解以及平行相关定义、定理的条件结论理解错误．【详解】A 中，可知m 与n 的位置关系：平行或相交或异面，A 不正确；B 中，根据面面平行的判定定理，前提m 与n 必须相交，B 不正确；C 中，可知m 与n 的位置关系：平行或异面，C 不正确；D 中，若α∥β，则平面α内任一条直线均平行平面β，D 正确．故选：D ．4．（2022·江苏省太湖高级中学高一期中）已知,m n 是两条不同的直线，,αβ是两个不同的平面，则下列命题正确的是（ ）A ．若m ∥α，n ⊂α，则m ∥nB ．若m ∥n ，m α⊄, n ⊂α则m ∥αC ．若m ∥α, n ∥α，m β⊂，n β⊂，则α∥βD ．若m ∥α，n ∥β， α∥β，则m ∥n【答案】B【解析】【分析】利用直线和平面平行的判定定理和直线与平面平行的性质定理即可求解.【详解】对于选项A ,由直线和平面的性质定理可知，直线m 只能和过这条直线的任意平面与平面α的交线平行，则直线m 和n 不一定平行，则A 不正确；对于选项B ，利用直线与平面平行的判定定理可知选项B 正确；对于选项C ，平面α和平面β可能相交，则选项C 不正确，对于选项D ，直线m 和直线n 可能相交或异面，则D 不正确；故选：B .5．（2022·全国·高一课时练习）下列说法中正确的是（ ）①过平面外一点有且只有一条直线和已知平面垂直；②过直线外一点有且只有一个平面和已知直线垂直；③过平面外一点可作无数条直线与已知平面平行；④过直线外一点只可作一条直线与已知直线垂直．A ．①②③B ．①③④C ．②③D ．②③④ 【答案】A【解析】【分析】根据空间中线面的关系，可以求解.【详解】由线面垂直的性质及线面平行的性质知①②③正确；④错，过直线外一点作平面与直线垂直，则平面内过这一点的所有直线都与该直线垂直．故选:A6．（2022·全国·高一课时练习）在正方体ABCD A 1B 1C 1D 1中，点P 是线段BC 1上任意一点，则下列结论中正确的是（ ）A ．AD 1⊥DPB ．AP ⊥B 1C C ．AC 1⊥DPD ．A 1P ⊥B 1C【答案】B【解析】【分析】 由正方体的性质有B 1C ⊥BC 1，B 1C ⊥AB ，再根据线面垂直的性质判断B ，根据正方体性质判断A 、C 、D.【详解】在正方体ABCD A 1B 1C 1D 1中，DP 与1BC 不垂直，而11//AD BC ，即DP 与1AD 也不垂直，A 错误；因为B 1C ⊥BC 1，B 1C ⊥AB ，BC 1∩AB ＝B ，所以B 1C ⊥平面ABC 1D 1，因为点P 是线段BC 1上任意一点，即AP 面ABC 1D 1，所以AP ⊥B 1C ，B 正确；若E 为AB 中点，则1//AC PE ，而DP 与PE 不垂直，则1AC 不与DP 垂直，C 错误；由下图知：结合正方体性质知，1A P 与1B C 不垂直，D 错误.故选：B7．（2022·全国·高一课时练习）如图，正四面体ABCD 中，E ，F 分别是线段AC 的三等分点，P 是线段AB 的中点，G 是直线BD 上的动点，则（ ）A ．存在点G ，使PG ⊥EF 成立B ．存在点G ，使FG ⊥EP 成立C ．不存在点G ，使平面EFG ⊥平面ACD 成立D ．不存在点G ，使平面EFG ⊥平面ABD 成立【答案】C【解析】【分析】A 选项假设PG ⊥EF ，证得AC ⊥面ABD ，与题设矛盾即可判断；B 选项由PE BF ∥求出异面直线,PE FG 的夹角小于2π即可判断；C 选项取CD 中点N ，过B 作BH AN ⊥于H ，先证BH ⊥面ACD ，再由BH 与面EFG 相交即可判断；D 选项直接证明当G 与BD 中点M 重合时，面ABD ⊥面EFG 即可.【详解】在A 中，取BD 中点M ，连接,AM CM ，易得,AM BD CM BD ⊥⊥，,AM CM ⊂面ACM ，AM CM M ⋂=，故BD ⊥面ACM ，又AC ⊂面ACM ，故BD AC ⊥，若PG ⊥EF ，,PG BD ⊂面ABD ，PG BD G ⋂=，则AC ⊥面ABD ，显然不成立，故不存在点G ，使PG ⊥EF 成立，故A 错误；在B 中，连接,BF DF ，易得PE BF ∥，故BFG ∠或其补角即为异面直线,PE FG 的夹角，不妨设3AB =，在ABF 中，由余弦定理2222cos 3BF AB AF AB AF π=+-⋅⋅，即22213223272BF =+-⨯⨯⨯=，解得7BF 7DF =在BFD △中，222779cos 0227BF DF BD BFD BF DF +-+-∠==>⋅⨯，则2BFD π∠<，显然2BFG BFD π∠<∠<，故不存在点G ，使FG ⊥EP 成立，故B 错误；在C 中，取CD 中点N ，连接,AN BN ，过B 作BH AN ⊥于H ，易得,BN CD AN CD ⊥⊥，,AN BN ⊂面ABN ，AN BN N =，故CD ⊥面ABN ，又BH ⊂面ABN ，故CD BH ⊥，又,AN CD ⊂面ABN ，AN CD N ⋂=，故BH ⊥面ACD ，若平面EFG ⊥平面ACD ，则BH ⊂面EFG 或BH 面EFG ，显然BH 与面EFG 相交，故不存在点G ，使平面EFG ⊥平面ACD 成立，故C 正确；在D 中，当G 与BD 中点M 重合时，由A 选项知有BD ⊥面ACM ，即BD ⊥面EFG ，又BD ⊂面ABD ，故面ABD ⊥面EFG ，故存在点G ，使平面EFG ⊥平面ABD 成立，故D 错误．故选：C ．8．（2022·内蒙古·呼和浩特市教育教学研究中心高一期末）如图，在三棱锥P ABC -中，不能证明⊥AP BC 的条件是（ ）A ．BC ⊥平面APCB ．AP PC ⊥，AP PB ⊥ C ．PC BC ⊥，平面APC ⊥平面BPCD ．BC PC ⊥，AB BC ⊥【答案】D【解析】【分析】 A 选项利用线面垂直（BC ⊥平面APC ）可推出线线垂直（⊥AP BC ），B 选项利用两组线线垂直（AP PC ⊥，AP PB ⊥）推出线面垂直（AP ⊥平面BPC ），再推出线垂直（⊥AP BC ），C 选项利用面面垂直的性质定理可推出⊥AP BC ，D 选项不能证明出⊥AP BC .【详解】BC ⊥平面APC ，AP ⊂平面APC ，BC AP ∴⊥ ，故A 选项可以证明，因此不选.AP PC ⊥，AP PB ⊥，,,PC PB P PC PB ⋂=⊂平面BPC ，AP ∴⊥平面BPC ，BC ⊂平面BPC ，BC AP ∴⊥.故B 选项可以证明，因此不选.平面APC ⊥平面BPC ，平面APC 平面=BPC PC ，PC BC ⊥，由面面垂直的性质定理知BC ⊥平面APC .AP ⊂平面APC ，BC AP ∴⊥，故C 选项可以证明，因此不选.由D 选项BC PC ⊥，AB BC ⊥并不能推出⊥AP BC .故选：D.二、多选题9．（2022·江苏·盐城中学高一期中）如图，正方体1111ABCD A B C D -的棱长为1，点P 是11B CD 内部（不包括边界）的动点，若11AP B D ⊥，则线段AP 长度的可能取值为（ ）A ．1110B 23C ．65D 5 【答案】BC【解析】【分析】利用线面垂直得线线垂直，从而确定点P 的轨迹，再根据平面几何的知识求距离的最大、最小值，判断选项即可.【详解】取11B D 中点O ，在正方体1111ABCD A B C D -中，11AB AD =，O 是11B D 的中点，11B D AO ∴⊥，同理11B D OC ⊥，11B D ∴⊥面AOC ，又点P 是11B CD 内部（不包括边界）的动点，11AP B D ⊥P ∴一定在线段OC 上运动在AOC △中，6AO CO ==2AC = 故cos OCA ∠=132AC OC =26sin 1cos OCA OCA ∠=-∠， 故A 到OC 的距离23sin d AC OCA =⋅∠=232AP ≤故选BC ．10．（2022·广东·广州市白云中学高一期中）在三棱锥P ABC -中，从顶点P 向底面作垂线，垂足是H ，给出以下命题中正确的是（ ）A ．若,PA BC PB AC ⊥⊥，则H 是ABC 的垂心B ．若,,PA PB PC 两两互相垂直，则H 是ABC 的垂心C ．若PA PB PC ==，则H 是ABC 的外心D ．若H 是AC 的中点，则PA PB PC ==【答案】ABC【解析】【分析】作出图形，结合选项逐项分析即可求出答案.【详解】由题意知PH ⊥平面ABC ，且BC ⊂平面ABC ，所以PH BC ⊥，又因为PA BC ⊥，且PA PH P =，所以BC ⊥平面PAH ，又AH ⊂平面PAH ，因此BC AH ⊥；同理AC BH ⊥，所以H 是ABC 的垂心，故A 正确；由题意知PH ⊥平面ABC ，且BC ⊂平面ABC ，所以PH BC ⊥，又因为PA PC ⊥，PA PB ⊥，且PC PB P =，所以PA ⊥平面PBC ，又因为BC ⊂平面PBC ，所以PA BC ⊥，且PA PH P =，所以BC ⊥平面PAH ，又AH ⊂平面PAH ，因此BC AH ⊥；同理AC BH ⊥，所以H 是ABC 的垂心，故B 正确；PH ⊥平面ABC ，且BC ⊂平面ABC ，AB 平面ABC ，AC ⊂平面ABC ，所以,,⊥⊥⊥PH AB PH AC PH BC ，又因为PA PB PC ==，所以≅≅Rt PAH Rt PBH Rt PCH ，因此AH BH CH ==，所以H 是ABC 的外心，故C 正确；由题意知PH ⊥平面ABC ，且AC ⊂平面ABC ，所以PH AC ⊥，又H 是AC 的中点，所以PA PC =，当12BH AC =时，有PA PB PC ==，当12≠BH AC ，PA PC PB =≠， 故D 不一定成立；故选：ABC.11．（2022·云南师大附中高一期中）已知m ，n 是互不重合的直线，α，β是互不重合的平面，下列四个命题中正确的是（ ） A ．若m α⊂，n ⊂α，m n P =，//m β，//n β，则//αβB ．若m α⊥，m n ⊥，//αβ，则//n βC ．若//m α，//m β，n αβ=，则//m nD ．若m α⊥，m β⊂，则αβ⊥【答案】ACD【解析】【分析】A 根据面面平行的判定判断；B 由线面、面面位置关系，结合平面的基本性质判断；C 过m 作平面l γα⋂=，由线面平行性质及平行公理的推论判断；D 由面面垂直的判定判断.【详解】A ：由//m β，//n β且,m n α⊂，m n P =，根据面面平行的判定知：//αβ，正确；B ：m α⊥，m n ⊥，//αβ，则//n β或n β⊂，错误；C ：过m 作平面l γα⋂=，而//m α，则//m l ，又//m β则l β//，n αβ=，故//l n ，所以//m n ，正确；D ：由m α⊥，m β⊂，根据面面垂直的判定知：αβ⊥，正确.故选：ACD12．（2022·河北省唐县第一中学高一期中）如图，在直四棱柱1111ABCD A B C D -中，BC CD ⊥，AB CD ∥，3BC =12AA AB AD ===，点P ，Q ，R 分别在棱1BB ，1CC ，1DD 上，若A ，P ，Q ，R 四点共面，则下列结论正确的是（ ）A ．任意点P ，都有AP QR ∥B ．存在点P ，使得四边形APQR 为平行四边形C ．存在点P ，使得BC ∥平面APQRD ．存在点P ，使得△APR 为等腰直角三角形【答案】AC【解析】【分析】根据面面平行的性质，结合假设法逐一判断即可.【详解】对于A ：由直四棱柱1111ABCD A B C D -，//AB CD ，所以平面11//ABB A 平面11DCC D ，又因为平面APQR ⋂平面11ABB A AP =，平面APQR ⋂平面11DCC D QR =， 所以//AP QR ，故A 正确；对于B ：若四边形APQR 为平行四边形，则//AR QP ，而AD 与BC 不平行，即平面11ADD A 与平面11BCC B 不平行，所以平面APQR ⋂平面11BCC B PQ =，平面APQR ⋂平面11ADD A AR =，直线PQ 与直线AR 不平行，与//AR QP 矛盾，所以四边形APQR 不可能是平行四边形，故B 不正确；对于C ：当BP CQ =时，R 为D 时，满足//BC 平面APQR ，故C 正确.对于D ：假设存在点P ，使得APR △为等腰直角三角形，令BP x =，过点D 作DE AB ⊥，则3DE BC ==DR 上取一点M 使得DM BP x ==，连接,BD PM ，则四边形BDMP 为矩形，所以2MP BD ==，则()2224PR PM MR DR x =+=+- 2224AP PB AB x +=+2224AR DR AD DR =+=+显然,AR PR AP PR ≠≠，若由AP AR =，则BP DR x ==且//BP DR ⇒四边形BPDR 为平行四边BPDR ， 所以2222228282RP BC CD AP BP x +=++D 错误； 故选：AC.【点睛】关键点睛：运用假设法进行求解是解题的关键.三、填空题13．（2022·广东·广州市白云中学高一期中）正四棱锥S ABCD -的底面边长为a ，侧棱长为2a ，点P ，Q 分别在BD 和SC 上，并且:1:2=BP PD ，//PQ 平面SAD ，则线段PQ 的长为__________． 66a 【解析】【分析】过P 作//PM BC ，交CD 于M ，连结QM ，即可证明平面//PQM 平面SAD ，根据面面平行的性质得到//MQ SD ，再分别求出PM 、QM ，利用余弦定理求出cos ADS ∠，由此利用余弦定理能求出线段PQ 的长．【详解】 解：如图，过P 作//PM BC ，交CD 于M ，连结QM ，正四棱锥S ABCD -的底面边长为a ，侧棱长为2a ，点P ，Q 分别在BD 和SC 上， :1:2=BP PD ，//PQ 平面SAD ，因为//PM BC ，//AD BC ，所以//PM AD ，PM ⊄平面SAD ，AD ⊂平面SAD ， 所以//PM 平面SAD ，又PM PQ P =，,PM PQ ⊂平面PQM ，所以平面//PQM 平面SAD ，平面PQM平面SDC MQ =，平面SDC 平面SAD SD =， //MQ SD ∴，2233PM BC a ∴==， //QM SD ∴，1233QM SD a ∴==， //SD QM ，//AD MP ，PMQ ADS ∴∠=∠，222222441cos 2224AD SD SA a a a ADS AD SD a a +-+-∠===⨯⨯⨯⨯， 22222244162cos 299492233a PQ PM QM PM QM PMQ a a a a =+-⋅⋅∠=+-⨯⨯⨯=， 6PQ ∴=． ∴线段PQ 6．6 14．（2022·广东·海珠外国语实验中学高一期中）如图，长方体1111ABCD A B C D -的底面ABCD 是正方形.其侧面展开图是边长为4的正方形，E 、F 分别是侧棱11,AA CC 上的动点，点P 在棱1AA 上，且1AP =，若//EF 平面PBD ，则EF 的长=___________.6【解析】【分析】连接AC 与BD 交于点O ，取PQ =AP =1，连接QC ，得到//OP QC ，再由//EF 平面PBD ，利用线面平行的性质得到//EF OP ，进而得到//EF QC 求解.【详解】解：因为长方体1111ABCD A B C D -的底面ABCD 是正方形，其侧面展开图是边长为4的正方形，所以底面边长为1AD =，高为14AA =，如图所示：连接AC 与BD 交于点O ，取PQ =AP =1，连接QC ，则//OP QC ，因为//EF 平面PBD ，且EF ⊂平面1A ACC ，平面11A ACC ⋂平面BPD OP =，所以//EF OP ，则//EF QC ， 又//QE CF ，所以四边形QEFC 是平行四边形，所以26EF QC OP ===615．（2022·浙江浙江·高一期中）在棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -中，Q 为线段AD 的中点，P 为正方体内部及其表面上的一动点，且1PQ BD ⊥，则满足条件的所有点P 构成的平面图形的的周长等于________.【答案】32【解析】【分析】分别取111111,,,,CD CC B C A B A A 的中点E ，N ，M ，G ，F ，易证AC ⊥平面11D DBB ，则1AC BD ⊥，从而1QE BD ⊥，同理1QF BD ⊥，由线面垂直判定定理得到1BD ⊥平面ENMGFG ，进而得到所有点P 构成的平面图形为正六边形ENMGFG 求解.【详解】如图所示：分别取111111,,,,CD CC B C A B A A 的中点E ，N ，M ，G ，F ，则//QE AC ，易知AC BD ⊥，1AC DD ⊥，又1DD BD D =， 所以AC ⊥平面11D DBB ，则1AC BD ⊥，所以1QE BD ⊥，同理 1QF BD ⊥，又1QE QF Q ⋂=，所以1BD ⊥平面ENMGFG ，即所有点P 构成的平面图形为正六边形ENMGFG ，因为正方体的棱长为1，所以正六边形ENMGFG 2，所以正六边形ENMGFG 2632= 故答案为：3216．（2022·全国·高一专题练习）如图，在直三棱柱ABC A 1B 1C 1中，侧棱长为2，AC ＝BC ＝1，∠ACB ＝90°，D 是A 1B 1的中点，F 是BB 1上的动点，AB 1，DF 交于点E ，要使AB 1⊥平面C 1DF ，则线段B 1F 的长为________．【答案】12##0.5【解析】【分析】根据线面垂直得到线线垂直，根据三角形面积求出DE 3求出线段B 1F 的长.【详解】设B 1F ＝x ，因为AB 1⊥平面C 1DF ，DF ⊂平面C 1DF ，所以AB 1⊥DF .由已知可得A 1B 1＝2，设Rt △AA 1B 1斜边AB 1上的高为h ，则DE ＝12h . 又11AB A S =122＝221222+ ，所以h 23DE 3 在Rt △DB 1E 中，B 1E 2223623⎛⎫⎛⎫-= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭. 在Rt △DB 1F 中，由面积相等得：2216212222x x ⎛⎫+= ⎪ ⎪⎝⎭， 解得：x ＝12.即线段B 1F 的长为12.故答案为：12四、解答题17．（2022·江苏·无锡市第一中学高一期中）如图，三棱柱111ABC A B C -的侧棱与底面垂直，AC BC ⊥，点D 是AB 的中点.(1)求证1AC B C ⊥；(2)求证：1//AC 平面1CDB .【答案】(1)证明见解析(2)证明见解析【解析】【分析】（1）由侧棱与底面垂直可得1CC AC ⊥，结合AC BC ⊥，可得AC ⊥平面11BCC B ，即可得证；（2）连接1C B ，设1CB 与1C B 的交点为E ，连接DE ，则E 为1BC 中点，利用中位线的性质可知1//DE AC ，进而即可证明结论.(1)证明：在三棱柱111ABC A B C -中，因为1CC ⊥平面ABC ，AC ⊂平面ABC ，所以1CC AC ⊥，又AC BC ⊥，1CC AC C =，1CC ，BC ⊂平面11BCC B ，所以AC ⊥平面11BCC B ， 又1B C ⊂平面11BCC B ，所以1AC B C ⊥.(2)证明：连接1C B ，设1CB 与1C B 的交点为E ，连接DE ，则E 为1BC 中点，因为点D 是AB 的中点，所以1//DE AC ，因为DE ⊂平面1CDB ，1AC ⊄平面1CDB ，所以1//AC 平面1CDB .18．（2022·广东·广州六中高一期中）如图，在四棱锥P ABCD -中，//AB CD ，AB AD ⊥，2CD AB =，平面PAD ⊥底面ABCD ，E 和F 分别是CD 和PC 的中点，求证：(1)//BE 平面PAD ；(2)CD ⊥平面BEF ．【答案】(1)证明见解析(2)证明见解析【解析】【分析】(1)根据线面平行的判定定理证明//BE 平面PAD ；(2)先根据平面与平面垂直的性质定理证明AB ⊥平面PAD ，再根据线面垂直的判定定理证明CD ⊥平面BEF ．(1)因为E 是CD 的中点，2CD AB =，所以AB DE =，因为//AB CD ，所以//AB DE ，所以四边形ABED 为平行四边形，所以//BE AD ，BE ⊄平面PAD ，AD ⊂平面PAD ，所以//BE 平面PAD ；(2)因为平面PAD ⊥底面ABCD ，平面PAD 底面ABCD AD =，AB AD ⊥，AB 底面ABCD ，所以AB ⊥平面PAD ，又//AB CD ，所以CD ⊥平面PAD ，,AD PD ⊂平面PAD ，所以，CD AD ⊥，CD PD ⊥，因为//BE AD ，所以CD BE ⊥，因为E 和F 分别是CD 和PC 的中点，所以//EF DP ，又CD PD ⊥，所以CD EF ⊥，BE EF E =，,BE EF ⊂平面BEF ，所以CD ⊥平面BEF ．19．（2022·山西·大同一中高一阶段练习）如图，等腰梯形ABCD 中，AD ＝DC ＝BC ＝2，AB ＝4，E 为AB 的中点，将△ADE 沿DE 折起、得到四锥P －DEBC ，F 为PC 的中点，M 为EB 的中点(1)证明：FM //平面PDE ；(2)证明：DE ⊥PC ；(3)当四棱锥P －DEBC 的体积最大时，求三棱锥E －DCF 的体积．【答案】(1)证明见解析；(2)证明见解析；(3)12.【解析】【分析】（1）连接CM 并延长与DE 延长线交于G ，在△CPG 中//FM PG ，根据线面平行的判定即可证结论.（2）H 为DE 中点，连接,PH CH ，易得DEBC 为平行四边形、△PDE 为等边三角形且60EDC ∠=︒，进而可得PH DE ⊥、CH DE ⊥，再根据线面垂直的判定、性质证明结论. （3）首先确定四棱锥P －DEBC 的体积最大时面PDE ⊥面DEBC ，再确定P －DEBC 的体高，并求得F 到面DEBC 的距离，由E DCF F DEC V V --=及棱锥的体积公式求体积.(1)连接CM 并延长与DE 延长线交于G ，则G 在面PDE 内，M 为EB 的中点，则M 为CG 中点，在△CPG 中//FM PG ，又PG ⊂面PDE ，FM ⊄面PDE ，所以FM //平面PDE .(2)若H 为DE 中点，连接,PH CH ，由题设//CD EB 且2CD EB ==，即DEBC 为平行四边形，则2DE BC ==， 所以△PDE 为等边三角形，故PH DE ⊥，又ABCD 为等腰梯形，则60EBC ∠=︒ 所以60EDC ∠=︒，又1DH =，2CD =，易知：CH DE ⊥，又PHCH H =，则DE ⊥面PHC ，PC ⊂面PHC ，故DE ⊥PC . (3)当四棱锥P －DEBC 的体积最大时，面PDE ⊥面DEBC ，则△PDE 的高PH 即为四棱锥P －DEBC 的体高，又F 为PC 的中点，所以F 到面DEBC 的距离32PH h ==，由（2）易知DEBC 为边长为2的菱形， 又132DEC DEBC S S =1132E DCF F DEC DEC V V hS --===. 20．（2022·湖南·长沙市南雅中学高一期中）已知正方体1111-ABCD A B C D ．(1)求证：AD1//平面1C BD ；(2)求证：1AD ⊥平面1A DC ．【答案】(1)证明见解析；(2)证明见解析.【解析】【分析】（1）根据给定条件，证明11//AD BC ，再利用线面平行的判定推理作答.（2）利用线面垂直的性质证明1CD AD ⊥，再利用线面垂直的判定推理作答.(1)在正方体1111ABCD A B C D -中，1111////C D A B AB ，1111C D A B AB ==，则有四边形11ABC D 是平行四边形，有11//AD BC ，而1BC ⊂平面1C BD ，1AD ⊄平面1C BD ，所以1//AD 平面1C BD ．(2)在正方体1111ABCD A B C D -中，CD ⊥平面11A ADD ，1AD ⊂平面11A ADD ，则1CD AD ⊥， 在正方形11A ADD 中，11A D AD ⊥，又1A D CD D =，1,A D CD ⊂平而1A DC ， 所以1AD ⊥平而1A DC ．21．（2022·云南昆明·高一期中）如图，四棱柱1111ABCD A B C D -中，底面ABCD 是菱形，60ABC ∠=︒，1AA ⊥平面ABCD ，E 为1AA 中点，12AA AB ==.(1)求证：1AC ∥平面11B D E ；(2)求三棱锥11A B D E -的体积；(3)在1AC 上是否存在点M ，满足1AC ⊥平面11MB D ？若存在，求出AM 的长；若不存在，说明理由.【答案】(1)证明见解析 3(3)32【解析】【分析】 （1）连11A C 交11B D 于点F ，连EF ，由中位线定理以及线面平行的判定证明即可； （2）过1B 作111⊥B H D A 的延长线于点H ，由线面垂直的判定证明1B H ⊥平面11AA D D ，最后由1111113AED B AED V S B H =⋅三棱锥-△得出体积； （3）由线面垂直的性质证明111AC B D ，作1⊥FM AC ，垂足为M ，由线面垂直的判定证明1AC ⊥平面11MB D ，最后得出AM 的长.(1)证明：连11A C 交11B D 于点F ，连EF ，∵1111D C B A 是菱形，∴F 是11A C 中点，∵E 是1AA 中点，∴1∥EF AC ，∵EF ⊂平面11B D E ，1AC ⊄平面11B D E ，∴1AC ∥平面11B D E .(2)解：过1B 作111⊥B H D A 的延长线于点H ，由1AA ⊥底面ABCD 知1AA ⊥平面1111D C B A ，则11⊥AA B H ，又1111=⋂AA A A ，1B H ⊥平面11AA D D .由11160∠=∠=︒A B C ABC 知1160︒∠=A H B ，又112A B =，则13B H =1111111113123332AED A B D E B AED V V S B H --==⋅=⨯⨯⨯=三棱锥三棱锥 (3)解：∵1AA ⊥平面ABCD ，平面1111∥A B C D 平面ABCD ，∴1AA ⊥平面1111D C B A ，∵11B D ⊂平面1111D C B A ，∴111⊥B D AA ，∵菱形1111D C B A 中1111B D A C ⊥，1111A C AA A =，11A C ，1AA ⊂平面11AA C ，∴11B D ⊥平面11AA C ，又1AC ⊂平面11AA C ，∴111AC B D ， 过F 在11Rt AAC △中，作1⊥FM AC ，垂足为M ，则由11⋂=M B F D F ，FM ，11B D ⊂平面11MB D 知1AC ⊥平面11MB D ，∴存在M 满足条件，在11Rt AAC △中，1112AA AC ==，122AC =F 是11A C 中点， ∴12==C M FM 23222==AM 22．（2022·江苏·盐城中学高一期中）如图，四棱锥P －ABCD 中，底面ABCD 为菱形，P A ⊥底面ABCD ，P A ＝2，3PC =E 是线段PC 上的一点，()R PE EC λλ=∈．(1)试确定实数λ，使//PA 平面BED ，并给出证明；(2)当2λ=时，证明：PC ⊥平面BED ．【答案】(1)1λ=，证明见解析。
2024届高考数学专项立体几何大题含答案
立体几何大题1.空间中的平行关系（1）线线平行（2）线面平行的判定定理：平面外一直线与平面内一直线平行，则线面平行（3）线面平行的性质定理若线面平行，经过直线的平面与该平面相交，则直线与交线平行（4）面面平行的判定定理判定定理1：一个平面内有两条相交直线分别平行于另一个平面，则面面平行判定定理2：一个平面内有两条相交直线分别于另一个平面内两条相交直线平行，则面面平行（5）面面平行的性质定理性质定理1：两平面互相平行，一个平面内任意一条直线平行于另一个平面性质定理2：两平面互相平行，一平面与两平面相交，则交线互相平行6.空间中的垂直关系（1）线线垂直（2）线面垂直的判定定理一直线与平面内两条相交直线垂直，则线面垂直（3）线面垂直的性质定理性质定理1：一直线与平面垂直，则这条直线垂直于平面内的任意一条直线性质定理2：垂直于同一个平面的两条直线平行（4）面面垂直的判定定理一个平面内有一条直线垂直于另一个平面，则两个平面垂直(或：一个平面经过另一个平面的垂线，则面面垂直)（5）面面垂直的性质定理两平面垂直，其中一个平面内有一条直线与交线垂直，则这条直线垂直于另一个平面6.异面直线所成角cos θ=cos a ,b =|a ⋅b ||a |⋅|b |=|x 1x 2+y 1y 2+z 1z 2|x 12+y 12+z 12⋅x 22+y 22+z 22(其中θ(0°<θ≤90°)为异面直线a ,b 所成角，a ,b 分别表示异面直线a ,b 的方向向量)7.直线AB 与平面所成角，sin β=AB ⋅m |AB ||m |(m 为平面α的法向量).8.二面角α-l -β的平面角cos θ=m ⋅n |m ||n |(m ，n 为平面α，β的法向量).9.点B 到平面α的距离d =|AB ⋅n | (n 为平面α的法向量，AB 是经过面α的一条斜线，A ∈α).2024届高考数学专项立体几何大题含答案模拟训练一、解答题1(22·23下·湖南·二模)如图，在直三棱柱ABC -A B C 中，∠ABC =120°,AB =BC =2,AC =BB ，点D 为棱BB 的中点，AE =13AC ．(1)求DE 的长度；(2)求平面CDE 与平面BDE 夹角的余弦值．2(22·23下·绍兴·二模)如图，在多面体ABCDE 中，DE ⊥平面BCD ,△ABC 为正三角形，△BCD 为等腰Rt △,∠BDC =90°,AB =2,DE =2.(1)求证：AE ⊥BC ；(2)若AE ⎳平面BCD ，求直线BE 与平面ABC 所成的线面角的正弦值.3(22·23·张家口·三模)如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，侧面BB1C1C为菱形，∠CBB1=60°，AB= BC=2，AC=AB1=2.(1)证明：平面ACB1⊥平面BB1C1C；(2)求平面ACC1A1与平面A1B1C1夹角的余弦值.4(22·23·湛江·二模)如图1，在五边形ABCDE中，四边形ABCE为正方形，CD⊥DE，CD=DE，如图2，将△ABE沿BE折起，使得A至A1处，且A1B⊥A1D．(1)证明：DE⊥平面A1BE；(2)求二面角C-A1E-D的余弦值．5(22·23下·长沙·三模)如图，在多面体ABCDE 中，平面ACD ⊥平面ABC ，BE ⊥平面ABC ，△ABC 和△ACD 均为正三角形，AC =4，BE =3，点F 在AC 上.(1)若BF ⎳平面CDE ，求CF ；(2)若F 是AC 的中点，求二面角F -DE -C 的正弦值.6(22·23下·湖北·二模)如图，S 为圆锥的顶点，O 是圆锥底面的圆心，△ABC 内接于⊙O ,AC ⊥BC ,AC =BC =322，AM =2MS ,AS =3,PQ 为⊙O 的一条弦，且SB ⎳平面PMQ .(1)求PQ 的最小值；(2)若SA ⊥PQ ，求直线PQ 与平面BCM 所成角的正弦值.7(22·23·深圳·二模)如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，PA⊥平面ABCD,PA= AD=2AB，点M是PD的中点.(1)证明：AM⊥PC；(2)设AC的中点为O，点N在棱PC上(异于点P，C)，且ON=OA，求直线AN与平面ACM所成角的正弦值.8(22·23下·温州·二模)已知三棱锥D-ABC中，△BCD是边长为3的正三角形，AB=AC=AD, AD与平面BCD所成角的余弦值为33．(1)求证：AD⊥BC；(2)求二面角D-AC-B的平面角的正弦值．9(22·23下·浙江·二模)如图，四面体ABCD,AD⊥CD,AD=CD,AC=2,AB=3,∠CAB=60°，E为AB上的点，且AC⊥DE,DE与平面ABC所成角为30°，(1)求三棱锥D-BCE的体积；(2)求二面角B-CD-E的余弦值.10(22·23下·襄阳·三模)如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，侧面BB1C1C为矩形，∠BAC=90°，AB= AC=2，AA1=4，A1在底面ABC的射影为BC的中点N，M为B1C1的中点.(1)求证：平面A1MNA⊥平面A1BC；(2)求平面A1B1BA与平面BB1C1C夹角的余弦值.11(22·23·唐山·二模)如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，△ABC是等边三角形，侧面ACC1A1⊥底面ABC，且AA1=AC，∠AA1C1=120°，M是CC1的中点．(1)证明：A1C⊥BM．(2)求二面角A1-BC-M的正弦值．12(22·23下·盐城·三模)如图，该几何体是由等高的半个圆柱和14个圆柱拼接而成，点G为弧CD的中点，且C，E，D，G四点共面.(1)证明：平面BDF⊥平面BCG；(2)若平面BDF与平面ABG所成二面角的余弦值为155，且线段AB长度为2，求点G到直线DF的距离.13(22·23下·江苏·三模)如图，圆锥DO中，AE为底面圆O的直径，AE=AD，△ABC为底面圆O的内接正三角形，圆锥的高DO=18，点P为线段DO上一个动点.(1)当PO=36时，证明：PA⊥平面PBC；(2)当P点在什么位置时，直线PE和平面PBC所成角的正弦值最大.14(22·23下·镇江·三模)如图，四边形ABCD是边长为2的菱形，∠ABC=60°，四边形PACQ为矩形，PA=1，从下列三个条件中任选一个作为已知条件，并解答问题(如果选择多个条件分别解答，按第一个解答计分).①BP,DP与平面ABCD所成角相等；②三棱锥P-ABD体积为33；③cos∠BPA=55(1)平面PACQ⊥平面ABCD；(2)求二面角B-PQ-D的大小；(3)求点C到平面BPQ的距离.15(22·23下·江苏·一模)在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，平面A 1B 1BA ⊥平面ABC ，侧面A 1B 1BA 为菱形，∠ABB 1=π3，AB 1⊥AC ，AB =AC =2，E 是AC 的中点.(1)求证：A 1B ⊥平面AB 1C ；(2)点P 在线段A 1E 上(异于点A 1，E )，AP 与平面A 1BE 所成角为π4，求EP EA 1的值.16(22·23下·河北·三模)如图，四棱锥P -ABCD 的底面ABCD 是菱形，其对角线AC ,BD 交于点O ，且PO ⊥平面ABCD ,OC =1,OD =OP =2,M 是PD 的中点，N 是线段CD 上一动点．(1)当平面OMN ⎳平面PBC 时，试确定点N 的位置，并说明理由；(2)在(1)的前提下，点Q 在直线MN 上，以PQ 为直径的球的表面积为214π．以O 为原点，OC ,OD ,OP 的方向分别为x 轴、y 轴、z 轴的正方向建立空间直角坐标系O -xyz ，求点Q 的坐标．17(22·23·汕头·三模)如图，圆台O1O2的轴截面为等腰梯形A1ACC1，AC=2AA1=2A1C1=4,B为底面圆周上异于A,C的点.(1)在平面BCC1内，过C1作一条直线与平面A1AB平行，并说明理由；(2)若四棱锥B-A1ACC1的体积为23，设平面A1AB∩平面C1CB=l,Q∈l，求CQ的最小值.18(19·20下·临沂·二模)如图①，在Rt△ABC中，B为直角，AB=BC=6，EF∥BC，AE=2，沿EF将△AEF折起，使∠AEB=π3，得到如图②的几何体，点D在线段AC上．(1)求证：平面AEF⊥平面ABC；(2)若AE⎳平面BDF，求直线AF与平面BDF所成角的正弦值．19(22·23下·广州·三模)如图，四棱锥P-ABCD的底面为正方形，AB=AP=2，PA⊥平面ABCD，E,F分别是线段PB,PD的中点，G是线段PC上的一点.(1)求证：平面EFG⊥平面PAC；(2)若直线AG与平面AEF所成角的正弦值为13，且G点不是线段PC的中点，求三棱锥E-ABG体积.20(22·23下·长沙·一模)斜三棱柱ABC-A1B1C1的各棱长都为2，∠A1AB=60°，点A1在下底面ABC 的投影为AB的中点O．(1)在棱BB1(含端点)上是否存在一点D使A1D⊥AC1若存在，求出BD的长；若不存在，请说明理由；(2)求点A1到平面BCC1B1的距离．21(22·23下·长沙·三模)如图，三棱台ABC -A 1B 1C 1，AB ⊥BC ，AC ⊥BB 1，平面ABB 1A 1⊥平面ABC ，AB =6,BC =4，BB 1=2，AC 1与A 1C 相交于点D ，AE =2EB，且DE ∥平面BCC 1B 1.(1)求三棱锥C -A 1B 1C 1的体积；(2)平面A 1B 1C 与平面ABC 所成角为α，CC 1与平面A 1B 1C 所成角为β，求证：α+β=π4.22(22·23·衡水·一模)如图所示，A ,B ,C ,D 四点共面，其中∠BAD =∠ADC =90°，AB =12AD ，点P ,Q 在平面ABCD 的同侧，且PA ⊥平面ABCD ，CQ ⊥平面ABCD .(1)若直线l ⊂平面PAB ，求证：l ⎳平面CDQ ；(2)若PQ ⎳AC ，∠ABP =∠DAC =45°，平面BPQ ∩平面CDQ =m ，求锐二面角B -m -C 的余弦值.23(22·23下·湖北·三模)已知平行六面体(底面是平行四边形的四棱柱)ABCD-A1B1C1D1的各条棱长均为2，且有∠AA1D1=∠AA1B1=∠D1A1B1=60°．(1)求证：平面AA1C1C⊥平面A1B1C1D1；(2)求直线B1D与平面AA1C1C所成角的正弦值．24(22·23下·武汉·三模)如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为正方形，PA⊥平面ABCD，PA=AB=2，E为线段PB的中点，F为线段BC上的动点.(1)求证：平面AEF⊥平面PBC；(2)求平面AEF与平面PDC夹角的最小值.25(22·23下·黄冈·三模)如图1，在四边形ABCD中，BC⊥CD，AE∥CD,AE=BE=2CD=2,CE =3．将四边形AECD沿AE折起，使得BC=3，得到如图2所示的几何体．(1)若G为AB的中点，证明：DG⊥平面ABE；(2)若F为BE上一动点，且二面角B-AD-F的余弦值为63，求EFEB的值．26(22·23·德州·三模)图1是直角梯形ABCD，AB⎳CD，∠D=90°，AD=3，AB=2，CD=3，四边形ABCE为平行四边形，以BE为折痕将△BCE折起，使点C到达C1的位置，且AC1=6，如图2．(1)求证：平面BC1E⊥平面ABED；(2)在线段BE上存在点P使得PA与平面ABC1的正弦值为365，求平面BAC1与PAC1所成角的余弦值．27(22·23·山东·二模)如图，在四棱锥P-ABCD中，PA⊥平面ABCD，AB⎳CD，AB⊥BC，PA =AB=BC=2，CD=4．(1)证明：AD⊥PC；(2)若M为线段PB的靠近B点的四等分点，判断直线AM与平面PDC是否相交？如果相交，求出P到交点H的距离，如果不相交，说明理由．28(22·23·黄山·三模)如图，在直角梯形ABCD中，AD⎳BC，AD⊥CD，四边形CDEF为平行四边形，对角线CE和DF相交于点H，平面CDEF⊥平面ABCD，BC=2AD，∠DCF=60°，G是线段BE上一动点(不含端点)．(1)当点G为线段BE的中点时，证明：AG⎳平面CDEF；(2)若AD=1,CD=DE=2，且直线DG与平面CDEF成45°角，求二面角E-DG-F的正弦值．29(22·23·菏泽·三模)已知在直三棱柱ABC-A1B1C1中，其中AA1=2AC=4,AB=BC,F为BB1的中点，点E是CC1上靠近C1的四等分点，A1F与底面ABC所成角的余弦值为2 2．(1)求证：平面AFC⊥平面A1EF；(2)在线段A1F上是否存在一点N，使得平面AFC与平面NB1C1所成的锐二面角的余弦值为277，若存在，确定点N的位置，若不存在，请说明理由．30(22·23·福州·三模)如图，在三棱锥P-ABC中，PA⊥底面ABC，PA=2，AB=AC=1，将△PAB绕着PA逆时针旋转π3到△PAD的位置，得到如图所示的组合体，M为PD的中点.(1)当∠BAC为何值时，该组合体的体积最大，并求出最大值；(2)当PC⎳平面MAB时，求直线PC与平面PBD所成角的正弦值.31(22·23·福州·二模)如图1，在△ABC 中，AB =AC =2,∠BAC =2π3,E 为BC 的中点，F 为AB 上一点，且EF ⊥AB .将△BEF 沿EF 翻折到△B EF 的位置，如图2.(1)当AB =2时，证明：平面B AE ⊥平面ABC ；(2)已知二面角B -EF -A 的大小为π4，棱AC 上是否存在点M ，使得直线B E 与平面B MF 所成角的正弦值为1010？若存在，确定M 的位置；若不存在，请说明理由.32(22·23·三明·三模)如图，平面五边形ABCDE 由等边三角形ADE 与直角梯形ABCD 组成，其中AD ∥BC ，AD ⊥DC ，AD =2BC =2，CD =3，将△ADE 沿AD 折起，使点E 到达点M 的位置，且BM =a .(1)当a =6时，证明AD ⊥BM 并求四棱锥M -ABCD 的体积；(2)已知点P 为棱CM 上靠近点C 的三等分点，当a =3时，求平面PBD 与平面ABCD 夹角的余弦值.33(22·23·宁德·一模)如图①在平行四边形ABCD 中，AE ⊥DC ，AD =4，AB =3，∠ADE =60°，将△ADE 沿AE 折起，使平面ADE ⊥平面ABCE ，得到图②所示几何体．(1)若M 为BD 的中点，求四棱锥M -ABCE 的体积V M -ABCE ；(2)在线段DB 上，是否存在一点M ，使得平面MAC 与平面ABCE 所成锐二面角的余弦值为235，如果存在，求出DMDB的值，如果不存在，说明理由．34(22·23·龙岩·二模)三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，AB ⊥AC ，AB =AC =2，侧面A 1ACC 1为矩形，∠A 1AB =2π3，三棱锥C 1-ABC 的体积为233．(1)求侧棱AA 1的长；(2)侧棱CC 1上是否存在点E ，使得直线AE 与平面A 1BC 所成角的正弦值为55？若存在，求出线段C 1E 的长；若不存在，请说明理由．35(22·23下·浙江·二模)如图，在多面体ABC-A1B1C1中，AA1⎳BB1⎳CC1，AA1⊥平面A1B1C1，△A1B1C1为等边三角形，A1B1=BB1=2，AA1=3，CC1=1，点M是AC的中点．(1)若点G是△A1B1C1的重心，证明；点G在平面BB1M内；(2)求二面角B1-BM-C1的正弦值．36(22·23下·浙江·三模)如图，三棱台ABC-A1B1C1中，A1C1=4，AC=6，D为线段AC上靠近C的三等分点.(1)线段BC上是否存在点E，使得A1B⎳平面C1DE，若不存在，请说明理由；若存在，请求出BEBC的值；(2)若A1A=AB=4，∠A1AC=∠BAC=π3，点A1到平面ABC的距离为3，且点A1在底面ABC的射影落在△ABC内部，求直线B1D与平面ACC1A1所成角的正弦值.37(22·23下·苏州·三模)如图，在三棱锥P-ABC中，△ABC是边长为62的等边三角形，且PA= PB=PC=6，PD⊥平面ABC，垂足为D,DE⊥平面PAB，垂足为E，连接PE并延长交AB于点G.(1)求二面角P-AB-C的余弦值；(2)在平面PAC内找一点F，使得EF⊥平面PAC，说明作法及理由，并求四面体PDEF的体积.38(22·23·沧州·三模)如图，该几何体是由等高的半个圆柱和14个圆柱拼接而成.C,E,D,G在同一平面内，且CG=DG.(1)证明：平面BFD⊥平面BCG；(2)若直线GC与平面ABG所成角的正弦值为105，求平面BFD与平面ABG所成角的余弦值.39(23·24上·永州·一模)如图所示，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，侧面PAD为正三角形，且AD=2AB=4,M、N分别为PD、BC的中点，H在线段PC上，且PC=3PH．(1)求证：MN⎳平面PAB；(2)当AM⊥PC时，求平面AMN与平面HMN的夹角的余弦值．40(22·23·潍坊·三模)如图，P为圆锥的顶点，O是圆锥底面的圆心，AC为底面直径，△ABD为底面圆O的内接正三角形，且边长为3，点E在母线PC上，且AE=3，CE=1．(1)求证：PO∥平面BDE；(2)求证：平面BED⊥平面ABD(3)若点M为线段PO上的动点．当直线DM与平面ABE所成角的正弦值最大时，求此时点M到平面ABE的距离．立体几何大题1.空间中的平行关系（1）线线平行（2）线面平行的判定定理：平面外一直线与平面内一直线平行，则线面平行（3）线面平行的性质定理若线面平行，经过直线的平面与该平面相交，则直线与交线平行（4）面面平行的判定定理判定定理1：一个平面内有两条相交直线分别平行于另一个平面，则面面平行判定定理2：一个平面内有两条相交直线分别于另一个平面内两条相交直线平行，则面面平行（5）面面平行的性质定理性质定理1：两平面互相平行，一个平面内任意一条直线平行于另一个平面性质定理2：两平面互相平行，一平面与两平面相交，则交线互相平行6.空间中的垂直关系（1）线线垂直（2）线面垂直的判定定理一直线与平面内两条相交直线垂直，则线面垂直（3）线面垂直的性质定理性质定理1：一直线与平面垂直，则这条直线垂直于平面内的任意一条直线性质定理2：垂直于同一个平面的两条直线平行（4）面面垂直的判定定理一个平面内有一条直线垂直于另一个平面，则两个平面垂直(或：一个平面经过另一个平面的垂线，则面面垂直)（5）面面垂直的性质定理两平面垂直，其中一个平面内有一条直线与交线垂直，则这条直线垂直于另一个平面6.异面直线所成角cos θ=cos a ,b =|a ⋅b ||a |⋅|b |=|x 1x 2+y 1y 2+z 1z 2|x 12+y 12+z 12⋅x 22+y 22+z 22(其中θ(0°<θ≤90°)为异面直线a ,b 所成角，a ,b 分别表示异面直线a ,b 的方向向量)7.直线AB 与平面所成角，sin β=AB ⋅m |AB ||m |(m 为平面α的法向量).8.二面角α-l -β的平面角cos θ=m ⋅n |m ||n |(m ，n 为平面α，β的法向量).9.点B 到平面α的距离d =|AB ⋅n | (n 为平面α的法向量，AB 是经过面α的一条斜线，A ∈α).模拟训练一、解答题1(22·23下·湖南·二模)如图，在直三棱柱ABC -A B C 中，∠ABC =120°,AB =BC =2,AC =BB ，点D 为棱BB 的中点，AE =13AC ．(1)求DE 的长度；(2)求平面CDE 与平面BDE 夹角的余弦值．【答案】(1)393(2)34【分析】(1)在△ABC 中，用余弦定理可得到AC =23，在△ABE 中，用余弦定理可得BE =233，即可求得DE =DB 2+BE 2=393；(2)以B 为原点，分别以BE ,BC ,BB 所在的直线为x ,y ,z 轴建立空间直角坐标系，求出平面CDE 与平面BDE 的法向量，即可求解【详解】(1)因为在直三棱柱ABC -A B C 中，∠ABC =120°,AB =BC =2，在△ABC 中，由余弦定理得cos ∠ABC =AB 2+BC 2-AC 22AB ⋅BC=22+22-AC 22×2×2=-12，解得AC =23，则AE =13AC =233，在△ABE 中，由余弦定理得cos ∠BAE =AB 2+AE 2-BE 22AB ⋅AE =22+233 2-BE 22×2×233=32，解得BE =233，又AC =BB =23，所以BD =12BB =3，因为BB ⊥平面ABC ，BE ⊂平面ABC ，所以BB ⊥BE ，在直角三角形DBE 中，DE =DB 2+BE 2=(3)2+233 2=393；(2)因为AE =BE =233，所以∠ABE =∠BAE =30°，则∠CBE =∠ABC -∠ABE =120°-30°=90°，则BE ,BC ,BB 两两互相垂直，以B 为原点，分别以BE ,BC ,BB 所在的直线为x ,y ,z 轴建立如下图所示的空间直角坐标系：设平面CDE 的法向量为n =x ,y ,z ，由n ⋅CD =x ,y ,z ⋅0,-2,3 =-2y +3z =0n ⋅CE =x ,y ,z ⋅233,-2,0 =233x -2y =0 ，得z =233y x =3y，令y =3，得平面CDE 的一个法向量为n =3,3,2 ；平面BDE 的一个法向量为m =0,1,0 ．设平面CDE 与平面BDE 夹角的大小为θ，则cos θ=m ⋅n m n =0,1,0 ⋅3,3,2 1×4=34，故平面CDE 与平面BDE 夹角的余弦值为34．2(22·23下·绍兴·二模)如图，在多面体ABCDE 中，DE ⊥平面BCD ,△ABC 为正三角形，△BCD 为等腰Rt △,∠BDC =90°,AB =2,DE =2.(1)求证：AE ⊥BC ；(2)若AE ⎳平面BCD ，求直线BE 与平面ABC 所成的线面角的正弦值.【答案】(1)证明见解析(2)63【分析】(1)由线面垂直的性质定理和判定定理即可证明；(2)法一：由分析可知，∠EBH 就是直线BE 与平面ABC 所成的线面角，设∠AFD =α，当α<90°时，O 与D 重合，可得A ,E 两点重合，不符合题意，当α>90°时，求出EH ,BE ，即可得出答案；法二：建立空间直角坐标系，求出直线BE 的方向向量与平面ABC 的法向量，由线面角的向量公式代入即可得出答案.【详解】(1)设F 为BC 中点，连接AF ,EF ，则由△ABC 为正三角形，得AF ⊥BC ；DE ⊥平面BCD ，且△BCD 为等腰直角三角形，计算可得：BE =CE =2,∴EF ⊥BC .EF ∩AF =F ,EF ,AF ⊂面AEF ，于是BC ⊥面AEF ，AE ⊂面AEF ，从而BC ⊥AE .(2)法一：由(1)可知，过点E 作EH ⊥AF ，垂足为H ，则∠EBH 就是直线BE 与平面ABC 所成的线面角.当AE ⎳平面BCD 时，可得A 到平面BCD 的距离为 2.设∠AFD =α，所以AF ⋅sin α=2，可得sin α=63，当α<90°时，cos α=33，不妨设A 在底面BCD 射影为O ，则FO =1，此时O 与D 重合，可得A ,E 两点重合，不符合题意，舍去；当α>90°时，FO =1，此时O 在DF 的延长线上，作EH ⊥AF ，由于AODE 为矩形，可得AE =DO =2,AE ∥OD ，可得sin ∠EAH =63，可得EH =263.于是sin ∠EBH =EH BE=63.法二：建立如图坐标系，可得F 0,0,0 ,B 1,0,0 ，C -1,0,0 ,D 0,1,0 ,E 0,1,2 ,A 0,a ,b由AF =3，解得a 2+b 2=3，又∵AE ⎳平面BCD ，令n =0,0,1 ，可得AB ⋅n =0，解得b =2,a =±1.当a =1时A ,E 重合，所以a =-1，此时A 0,-1,2 .不妨设平面ABC 的法向量为m =x ,y ,z ，则CB ⋅m =0CA ⋅m =0代入得x -y +2z =02x =0 ，令z =1，则y =2，所以m =0,2,1 .由于BE =-1,1,2 ，不妨设所成角为θ，则sin θ=∣cos BE ,m |=63.3(22·23·张家口·三模)如图，在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，侧面BB 1C 1C 为菱形，∠CBB 1=60°，AB =BC =2，AC =AB 1=2.(1)证明：平面ACB 1⊥平面BB 1C 1C ；(2)求平面ACC 1A 1与平面A 1B 1C 1夹角的余弦值.【答案】(1)证明见解析；(2)57.【分析】(1)利用面面垂直的判定定理进行证明；(2)利用垂直关系建立空间直角坐标系，用向量法进行求解.【详解】(1)如图，连接BC 1，交B 1C 于O ，连接AO .因为侧面BB 1C 1C 为菱形，所以B 1C ⊥BC 1，且O 为BC 1的中点.又AC =AB 1=2，故AO ⊥B 1C .又AB =BC =2，且∠CBB 1=60°，所以CO =1,BO =3，所以AO =AC 2-CO 2=1.又AB =2，所以AB 2=BO 2+AO 2，所以AO ⊥BO .因为BO ,CB 1⊂平面BB 1C 1C ，BO ∩CB 1=O ，所以AO ⊥平面BB 1C 1C .又AO ⊂平面ACB 1，所以平面ACB 1⊥平面BB 1C 1C .(2)由(1)知，OA ,OB ,OB 1两两互相垂直，因此以O 为坐标原点，OB ,OB 1,OA 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O -xyz ，则A (0,0,1)，B (3,0,0)，C (0,-1,0)，C 1(-3,0,0).故CC 1 =(-3,1,0)，CA =(0,1,1)，CB =(3,1,0).设n =(x 1,y 1,z 1)为平面ACC 1A 1的一个法向量，则有n ⋅CC 1 =0n ⋅CA =0 ，即-3x 1+y 1=0y 1+z 1=0 ，令x 1=1，则n =(1,3,-3).设m =(x 2,y 2,z 2)为平面ABC 的一个法向量，则有m ⋅CA =0m ⋅CB =0，即y 2+z 2=03x 2+y 2=0 ，令x 2=1，则m =(1,-3,3).因为平面A 1B 1C 1∥平面ABC ，所以m =(1,-3,3)也是平面A 1B 1C 1的一个法向量.所以cos <n ,m > =n ⋅m n m=1-3-3 7×7=57.所以平面ACC 1A 1与平面A 1B 1C 1夹角的余弦值57. 4(22·23·湛江·二模)如图1，在五边形ABCDE 中，四边形ABCE 为正方形，CD ⊥DE ，CD =DE ，如图2，将△ABE 沿BE 折起，使得A 至A 1处，且A 1B ⊥A 1D ．(1)证明：DE ⊥平面A 1BE ；(2)求二面角C -A 1E -D 的余弦值．【答案】(1)证明见解析(2)63【分析】(1)由已知易得DE ⊥BE ，即可证明线面垂直；(2)建立空间直角坐标系，用坐标公式法求解即可．【详解】(1)由题意得∠BEC =∠CED =π4，∠BED =π2，DE ⊥BE ，又A 1B ⊥A 1D ，A 1E ∩A 1D =A 1,A 1E ,A 1D ⊂面A 1ED ，所以A 1B ⊥面A 1ED ，又DE ⊂面A 1ED ，则DE ⊥A 1B ，又DE ⊥BE ，A 1B ∩BE =B ，A 1B ⊂平面A 1BE ，BE ⊂平面A 1BE ，所以DE ⊥平面A 1BE ．(2)取BE 的中点O ，可知BE =2CD ,OE =CD ，由DE ⊥BE ，且CD ⊥DE 可得OE ⎳CD ，所以四边形OCDE 是平行四边形，所以CO ∥DE ，则CO ⊥平面A 1BE ，设BE =2，以点O 为坐标原点，OB ,OC ,OA 1所在直线为坐标轴建立空间直角坐标系，如图，则A 1(0,0,1),E (-1,0,0),B (1,0,0),C (0,1,0),D (-1,1,0)，EA 1 =(1,0,1),EC =(1,1,0),ED =(0,1,0)，设平面A 1EC 的一个法向量为n 1 =(x 1,y 1,z 1)，则n 1 ⋅EA 1 =0n 1 ⋅EC =0 ，即x 1+z 1=0x 1+y 1=0 ，取x 1=1，则n 1 =(1,-1,-1)，设平面A 1ED 的一个法向量为n 2 =(x 2,y 2,z 2)，则n 2 ⋅E 1A =0n 2 ⋅ED =0 ，即x 2+z 2=0y 2=0 ，取x 2=1，则n 2 =(1,0,-1)，所以cos n 1 ,n 2 =n 1 ⋅n 2 n 1 n 2=63，由图可知，二面角C -A 1E -D 为锐角，所以面角C -A 1E -D 的余弦值为63．5(22·23下·长沙·三模)如图，在多面体ABCDE 中，平面ACD ⊥平面ABC ，BE ⊥平面ABC ，△ABC 和△ACD 均为正三角形，AC =4，BE =3，点F 在AC 上.(1)若BF ⎳平面CDE ，求CF ；(2)若F 是AC 的中点，求二面角F -DE -C 的正弦值.【答案】(1)CF =1(2)8517【分析】(1)记AC 中点为M ，连接DM 、BM ，依题意可得DM ⊥AC ，根据面面垂直的性质得到DM ⊥平面ABC ，如图建立空间直角坐标系，求出平面CDE 的法向量，设F a ,0,0 ，a ∈2,-2 ，依题意可得BF ⋅n =0求出a 的值，即可得解；(2)依题意点F 与点M 重合，利用空间向量法计算可得.【详解】(1)记AC 中点为M ，连接DM 、BM ，△ACD 为正三角形，AC =4，则DM ⊥AC ，且DM =2 3.所以DM ⊥平面ABC ，又△ABC 为正三角形，所以BM ⊥AC ，所以BM =23，如图建立空间直角坐标系，则B 0,23,0 ，C -2,0,0 ，D 0,0,23 ，E 0,23,3 ，所以CD =2,0,23 ，CE =2,23,3 ，设平面CDE 的法向量为n =x ,y ,z ，则n ⋅CD =2x +23z =0n ⋅CE =2x +23y +3z =0，令x =3，则z =-3，y =-32，则n =3,-32,-3 ，设F a ,0,0 ，a ∈-2,2 ，则BF =a ,-23,0 ，因为BF ⎳平面CDE ，所以BF ⋅n =3a +-23 ×-32+0×-3 =0，解得a =-1，所以F 为CM 的中点，此时CF =1.(2)若F 是AC 的中点，则点F 与点M 重合，则平面FDE 的一个法向量可以为m =1,0,0 ，设二面角F -DE -C 为θ，显然二面角为锐角，则cos θ=m ⋅n m ⋅n=332+-32 2+-3 2=651，所以sin θ=1-cos 2θ=1-651 2=8517，所以二面角F -DE -C 的正弦值为8517.6(22·23下·湖北·二模)如图，S 为圆锥的顶点，O 是圆锥底面的圆心，△ABC 内接于⊙O ,AC ⊥BC ,AC =BC =322，AM =2MS ,AS =3,PQ 为⊙O 的一条弦，且SB ⎳平面PMQ .(1)求PQ 的最小值；(2)若SA ⊥PQ ，求直线PQ 与平面BCM 所成角的正弦值.【答案】(1)22(2)3010【分析】(1)作出辅助线，找到符合要求的PQ ，并利用垂径定理得到最小值；(2)在第一问基础上，得到当PQ 取得最小值时，SA ⊥PQ ，并建立空间直角坐标系，利用空间向量求解线面角.【详解】(1)过点M 作MH ⎳SB 交AB 于点H ，过点H 作PQ ⊥AB ，此时满足SB ⎳平面PMQ ，由平面几何知识易知，PQ =2r 2-d 2，当弦心距d 最大时，d =OH ，弦长最短，即PQ 取得最小值，因为AM =2MS ,AS =3，所以AH =2HB ，因为AC ⊥BC ,AC =BC =322，由勾股定理得AB =322⋅2=3，故AH =2,HB =1，连接OQ ，则OQ =32，由勾股定理得HQ =OQ 2-OH 2=94-14=2，所以PQ =2HQ =22；(2)连接OS ，则OS ⊥平面ACB ，因为PQ ⊂平面ACB ，故OS ⊥PQ ，而SA ⊥PQ ，OS ∩SA =S ，所以PQ ⊥平面AOS ，即有PQ ⊥AB .以O 为坐标原点，过点O 且平行PQ 的直线为x 轴，OB 所在直线为y 轴，OS 所在直线为z 轴，建立空间直角坐标系，则P -2,12,0 ,Q 2,12,0 ,B 0,32,0 ,C 32,0,0 ,M 0,-12,3 ，设平面BCM 的法向量为m =x ,y ,z ，则m ⋅CB =x ,y ,z ⋅-32,32,0 =-32x +32y =0m ⋅MB =x ,y ,z ⋅0,2,-3 =2y -3z =0，令x =1，则y =1,z =233，故m =1,1,233，设直线PQ 与平面BCM 所成角的大小为θ，则sin θ=cos PQ ,m =PQ ⋅m PQ ⋅m =22,0,0 ⋅1,1,233 22×1+1+43=3010.故直线PQ与平面BCM所成角的正弦值为30 10.7(22·23·深圳·二模)如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，PA⊥平面ABCD,PA= AD=2AB，点M是PD的中点.(1)证明：AM⊥PC；(2)设AC的中点为O，点N在棱PC上(异于点P，C)，且ON=OA，求直线AN与平面ACM所成角的正弦值.【答案】(1)证明见解析(2)1510【分析】(1)由等腰三角形的性质可得AM⊥PD，由面面垂直的性质可得CD⊥平面PAD，则CD⊥AM，所以由线面垂直的判定可得AM⊥平面PCD，从而可得结论；(2)以AB,AD,AP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，利用空间向量求解即可.【详解】(1)证明：因为PA=AD，点M是PD的中点，所以AM⊥PD.因为PA⊥平面ABCD,PA⊂平面PAD，所以平面PAD⊥平面ABCD，因为四边形ABCD为矩形，所以CD⊥AD，因为平面PAD∩平面ABCD=AD，CD⊂平面ABCD，所以CD⊥平面PAD，所以CD⊥AM，因为PD∩CD=D，PD,CD⊂平面PCD，所以AM⊥平面PCD，因为PC⊂平面PCD，所以AM⊥PC.(2)解：由题意可得AB,AD,AP两两垂直，设AB=1，如图，以AB,AD,AP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，则A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2)，22所以AM =0,22,22 ,AC =1,2,0 ，设平面ACM 的法向量为n =x ,y ,z ，则AM ⋅n =22y +22z =0AC ⋅n =x +2y =0，令y =-1可得x =2,z =1，所以平面ACM 的一个法向量n =2,-1,1 .PC =1,2,-2 ，设N x N ,y N ,z N ,PN =λPC =λ,2λ,-2λ (0<λ<1)，即x N ,y N ,z N -2 =λ,2λ,-2λ ，所以N λ,2λ,2-2λ .又O 12,22,0 ,ON =OA =32，所以λ-12 2+2λ-22 2+(2-2λ)2=34，化简得5λ2-7λ+2=0，解得λ=25或λ=1(舍去).所以AN =25,225,325，设直线AN 与平面ACM 所成的角为θ，则sin θ=n ⋅AN n ⋅AN=3252+1+1×425+825+1825=1510，所以直线AN 与平面ACM 所成角的正弦值为1510.8(22·23下·温州·二模)已知三棱锥D -ABC 中，△BCD 是边长为3的正三角形，AB =AC =AD ,AD 与平面BCD 所成角的余弦值为33．(1)求证：AD ⊥BC ；(2)求二面角D -AC -B 的平面角的正弦值．【答案】(1)证明见解析(2)223【分析】(1)取BC 的中点E ，连接AE ,DE ，证明BC ⊥平面ADE ，即可得证；(2)取正三角形BCD 的中心O ，连接OA ，从而可得OA ⊥平面BCD ，则∠ODA 即为AD 与平面BCD 所成角的平面角，进而可得AB =AC =AD =3，取AC 中点为H ，连接DH ,BH ，则DH ⊥AC ,BH ⊥AC ，故∠BHD 即为二面角D -AC -B 的平面角，解△BDH 即可得解.【详解】(1)取BC 的中点E ，连接AE ,DE ，因为△BCD 是边长为3的正三角形，所以DE ⊥BC ，又AE ∩DE =E ,AE ,DE ⊂平面ADE ，所以BC ⊥平面ADE ，因为AD ⊂平面ADE ，所以AD ⊥BC ；(2)取正三角形BCD 的中心O ，连接OA ，则点O 在DE 上，且OD =23DE ，由AB =AC =AD ，△BCD 是正三角形，得三棱锥A -BCD 为正三棱锥，则OA ⊥平面BCD ，故∠ODA 即为AD 与平面BCD 所成角的平面角，又AD 与平面BCD 所成角的余弦值为33，所以OD AD =3×32×23AD=33，即AB =AC =AD =3，即三棱锥A -BCD 是正四面体，取AC 中点为H ，连接DH ,BH ，则DH ⊥AC ,BH ⊥AC ，故∠BHD 即为二面角D -AC -B 的平面角，在△BDH 中，BH =DH =332,BD =3，则cos ∠BHD =BH 2+DH 2-BD 22⋅BH ⋅DH =274+274-92×332×332=13，所以sin ∠BHD =1-cos 2∠BHD =223，所以二面角D -AC -B 的平面角的正弦值223．9(22·23下·浙江·二模)如图，四面体ABCD ,AD ⊥CD ,AD =CD ,AC =2,AB =3,∠CAB =60°，E 为AB 上的点，且AC ⊥DE ,DE 与平面ABC 所成角为30°，(1)求三棱锥D -BCE 的体积；(2)求二面角B -CD -E 的余弦值.【答案】(1)答案见解析；(2)答案见解析．【分析】(1)取AC 中点F ，可证明AC ⊥平面DEF ，得平面ABC ⊥平面DEF ，DE 在平面ABC 内的射影就是直线EF ，∠DEF 是DE 与平面ABC 所成的角，即∠DEF =30°，由正弦定理求得∠FDE ，有两个解，在∠FDE =60°时可证DF ⊥平面ABC ，在∠FDE =120°时，取FE 中点H 证明DH ⊥平面ABC ，然后由棱锥体积公式计算体积；(2)建立如图所示的空间直角坐标系，用空间向量法求二面角．【详解】(1)取AC 中点F ，连接FE ,FD ，因为AD =CD ，所以DF ⊥AC ，又AC ⊥DE ，DE ∩DF =D ，DE ,DF ⊂平面DEF ，所以AC ⊥平面DEF ，而FE ⊂平面DEF ，所以AC ⊥FE ，由AC ⊥平面DEF ，AC ⊂平面ABC 得平面ABC ⊥平面DEF ，因此DE 在平面ABC 内的射影就是直线EF ，所以∠DEF 是DE 与平面ABC 所成的角，即∠DEF =30°，AD =CD ,AC =2，因此DF =12AC =1，在△DEF 中，由正弦定理EF sin ∠FDE =DF sin ∠DEF 得1sin30°=3sin ∠FDE ，sin ∠FDE =32，∠FDE 为△DEF 内角，所以∠FDE =60°或120°，S △ABC =12AB ×AC ×sin ∠BAC =12×3×2×sin60°=333，S △CBE =BE BAS △ABC =3-23×332=32，若∠FDE =60°，则∠DFE =90°，即DF ⊥FE ，AC ∩FE =F ，AC ,FE ⊂平面ABC ，所以DF ⊥平面ABC ，V D -BCE =13S △BCE ⋅DF =13×32×1=36；若∠FDE =120°，则∠DFE =30°，DF =DE =1，取EF 中点H ，连接DH ，则DH ⊥EF ，因为平面ABC ⊥平面DEF ，平面ABC ∩平面DEF =EF ，而DH ⊂平面DEF ，所以DH ⊥平面ABC ，DH =DF sin ∠DFE =1×sin30°=12，所以V D -BCE =13S △BCE ⋅DF =13×32×12=312；(2)若∠FDE =60°，以FA ,FE ,FD 为x ,y ,z 轴建立如图所示的空间直角坐标系F -xyz ，则D (0,0,1)，C (-1,0,0)，A (1,0,0)，E (0,3,0)，AE =(-1,3,0)，EB =12AE =-12,32,0 ，所以B 点坐标为-12,332,0 ，CD =(1,0,1)，CB =12,332,0 ，CE =(1,3,0)，设平面DBC 的一个法向量是m =(x 1,y 1,z 1)，则m ⋅CD =x 1+z 1=0m ⋅CB =12x 1+332y 1=0，取y 1=-1，则x 1=33，z 1=-33，即m =(33,-1,-33)，设平面DEC 的一个法向量是n =(x 2,y 2,z 2)，则n ⋅CD =x 2+z 2=0n ⋅CE =x 2+3y 2=0，取y 2=-1，则x 2=3，z 2=-3，即m =(3,-1,-3)，cos m ,n =m ⋅n m n =9+1+955×7=19385385，所以二面角B -CD -E 的余弦值是19385；若∠FDE =120°，以FA 为x 轴，FE 为y 轴，过F 且平行于HD 的直线为z 轴建立如图所示的空间直角坐标系F -xyz ，FH =12FE =32，则D 0,32,12 ，C (-1,0,0)，A (1,0,0)，E (0,3,0)，AE =(-1,3,0)，EB =12AE =-12,32,0 ，所以B 点坐标为-12,332,0 ，CD =1,32,12 ，CB =12,332,0 ，CE =(1,3,0)，设平面DBC 的一个法向量是m =(x 1,y 1,z 1)，则m ⋅CD =x 1+32y 1+12z 1=0m ⋅CB =12x 1+332y 1=0，取y 1=-1，则x 1=33，z 1=-53，即m =(33,-1,-53)，设平面DEC 的一个法向量是n =(x 2,y 2,z 2)，则n ⋅CD =x 2+32y 2+12z 2=0n ⋅CE =x 2+3y 2=0，取y 2=-1，则x 2=3，z 2=-3，即m =(3,-1,-3)，cos m ,n =m ⋅n m n =9+1+15103×7=25721721，所以二面角B -CD -E 的余弦值是25721721．10(22·23下·襄阳·三模)如图，在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，侧面BB 1C 1C 为矩形，∠BAC =90°，AB =AC =2，AA 1=4，A 1在底面ABC 的射影为BC 的中点N ，M 为B 1C 1的中点.(1)求证：平面A 1MNA ⊥平面A 1BC ；(2)求平面A 1B 1BA 与平面BB 1C 1C 夹角的余弦值.【答案】(1)证明见解析(2)23015【分析】(1)利用线面垂直和面面垂直的判定定理证明；(2)利用空间向量的坐标运算求面面夹角的余弦值.【详解】(1)如图，∵A 1N ⊥面ABC ，连AN ，则AN ⊥A 1N ，又AB =AC =2，∴AN ⊥BC ，又AN ∩BC =N ，A 1N ⊂面A 1BC ，BC ⊂面A 1BC ，于是AN ⊥面A 1BC ，又AN ⊂面A 1MN ，，所以面A 1BC ⊥面A 1MNA .(2)由(1)可得，以NA ,NB ,NA 1 为x ,y ,z 轴，建系如图，∠BAC =90°，AB =AC =2，BC =22则A (2,0,0),B (0,2,0),C (0,-2,0),因为AA 1=4,AN =2,所以A 1N =14,则A 1(0,0,14),因为NB 1 =NB +BB 1 =NB +AA 1 =0,2,0 +-2,0,14 =-2,2,14 ,所以B 1-2,2,14 ,设平面A 1BB 1的一个法向量为m =(x ,y ,z )，因为A 1B =(0,2,-14),B 1B =(2,0,-14),所以A 1B ⋅m =2y -14z =0B 1B ⋅m =2x -14z =0 ，令y =7，则x =7,z =1，所以m =(7,7,1)，设平面BCC 1B 1的一个法向量为n =(a ,b ,c )，因为BC =(0,-22,0),BB 1 =(-2,0,14),所以BC ⋅n =-22b =0BB 1 ⋅n =-2a +14c =0，令a =7，则b =0,c =1，所以n =(7,0,1)，设平面A 1BB 1与平面BCC 1B 1夹角为θ，则cos θ=cos <m ,n >=m ⋅n m n=7+0+17+7+1×7+0+1=23015，所以平面A 1BB 1与平面BCC 1B 1夹角的余弦值为23015.11(22·23·唐山·二模)如图，在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，△ABC 是等边三角形，侧面ACC 1A 1⊥底面ABC ，且AA 1=AC ，∠AA 1C 1=120°，M 是CC 1的中点．(1)证明：A 1C ⊥BM ．(2)求二面角A 1-BC -M 的正弦值．【答案】(1)证明见解析(2)45【分析】(1)根据菱形的性质、结合面面垂直的性质，线面垂直的判定定理进行证明即可；(2)建立空间直角坐标系，运用空间向量夹角公式进行求解即sk .【详解】(1)取AC 的中点O ，连接OM ，OB ，AC 1．在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，由AA 1=AC ，得四边形ACC 1A 1为菱形，所以A 1C ⊥AC 1，易知OM ∥AC 1，则A 1C ⊥OM ．由△ABC 是等边三角形，知OB ⊥AC ，又平面ACC 1A 1⊥平面ABC ，平面ACC 1A 1∩平面ABC =AC ，OB ⊂平面ABC ，知OB ⊥平面ACC 1A 1，则OB ⊥A 1C ，又OB ∩OM =O ,OB ,OM ⊂平面OBM ，得A 1C ⊥平面OBM ，又BM ⊂平面OBM ，故A 1C ⊥BM ．.(2)连接OA 1，因为侧面ACC 1A 1为菱形，∠AA 1C 1=120°，则∠A 1AC =60°，则△A 1AC 为等边三角形，所以A 1O ⊥AC ，又由(1)易知OA 1，OB ，AC 两两垂直，故以O 为坐标原点，分别以OB ，OC ，OA 1 的方向为x 轴、y 轴、z 轴的正方向，建立空间直角坐标系．不妨设AB =2，则O 0,0,0 ，B 3,0,0 ，C 0,1,0 ，A 10,0,3 ，C 10,2,3 ，BA 1 =-3,0,3 ，BC =-3,1,0 ，CC 1 =0,1,3 ，。
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高三文科数学专题复习:立体几何平行、垂直问题【基础知识点】一、平行问题1．直线与平面平行的判定与性质定义判定定理性质性质定理图形条件a∥α结论a∥αb∥αa∩α＝a∥b2. 面面平行的判定与性质判定性质定义定理图形条件α∥β，a⊂β结论α∥βα∥βa∥b a∥α平行问题的转化关系：二、垂直问题一、直线与平面垂直1．直线和平面垂直的定义：直线l与平面α内的都垂直，就说直线l与平面α互相垂直．2．直线与平面垂直的判定定理及推论文字语言图形语言符号语言判定定理一条直线与一个平面内的两条相交直线都垂直，则该直线与此平面垂直推论如果在两条平行直线中，有一条垂直于平面，那么另一条直线也垂直这个平面3．直线与平面垂直的性质定理文字语言 图形语言 符号语言性质定理垂直于同一个平面的两条直线平行4.直线和平面垂直的常用性质①直线垂直于平面，则垂直于平面内任意直线． ②垂直于同一个平面的两条直线平行． ③垂直于同一条直线的两平面平行． 二、平面与平面垂直1．平面与平面垂直的判定定理文字语言 图形语言符号语言判定定理一个平面过另一个平面的垂线，则这两个平面垂直2．平面与平面垂直的性质定理文字语言 图形语言符号语言性质定理两个平面垂直，则一个平面内垂直于交线的直线垂直于另一个平面【典例探究】类型一、平行与垂直例1、如图，已知三棱锥A BPC -中，,,AP PC AC BC ⊥⊥M 为AB 中点，D 为PB 中点，且△PMB 为正三角形。
（Ⅰ）求证：DM ∥平面APC ；（Ⅱ）求证：平面ABC ⊥平面APC ；（Ⅲ）若BC 4=，20AB =，求三棱锥D BCM -的体积。
MDAPBC例2.如图，已知三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥底面ABC ，2AC BC ==，14AA =，AB =M ，N 分别是棱1CC ，AB 中点.（Ⅰ）求证：CN ⊥平面11ABB A ； （Ⅱ）求证：//CN 平面1AMB ；（Ⅲ）求三棱锥1B AMN -的体积．【变式1】. 如图，三棱柱111C B A ABC -中，侧棱1AA ⊥平面ABC ，ABC ∆为等腰直角三角形，90=∠BAC ，且1AA AB =，F E D ,,分别是BC CC A B ,,11的中点。
（1）求证：//DE 平面ABC ； （2）求证：⊥F B 1平面AEF ；（3）设AB a =，求三棱锥D AEF -的体积。
ABCA 1B 1C 1M N二、线面平行与垂直的性质例3、如图4，在四棱锥P ABCD -中，平面PAD ⊥平面ABCD ，AB DC ∥，PAD △是等边三角形，已知24BD AD ==，225AB DC ==．（1）求证：BD ⊥平面PAD ； （2）求三棱锥A PCD -的体积．例4、如图，四棱锥P —ABCD 中，⊥PD 平面ABCD ，底面ABCD 为正方形，BC=PD=2，E 为PC 的中点，.31CB CG =（I ）求证：PC BC ⊥； （II ）求三棱锥C —DEG 的体积； （III ）AD 边上是否存在一点M ，使得//PA 平面MEG 。
若存在，求AM 的长；否则，说明理由。
【变式2】直棱柱ABCD -A 1B 1C 1D 1底面ABCD 是直角梯形，∠BAD ＝∠ADC ＝90°，AB ＝2AD ＝2CD ＝2. (Ⅰ)求证：AC ⊥平面BB 1C 1C ；(Ⅱ) A 1B 1上是否存一点P ，使得DP 与平面BCB 1与平面ACB 1都平行？证明你的结论.三、三视图与折叠问题例5、如图是一几何体的直观图、正视图、侧视图、俯视图。
若F 为PD 的中点，求证：AF ⊥面PCD ； （1） 证明：BD ∥面PEC ； （2） 求三棱锥E PBC -的体积。
ABEPDC44 2 244 4 正视图侧视图俯视图例6.已知四边形ABCD 是等腰梯形，AB DE BAD DC AB ⊥︒=∠==,45,1,3（如图1）。
现将ADE∆沿DE 折起，使得EB AE ⊥（如图2），连结AB AC ,。
（I ）求证：平面⊥ADE 平面ACD ；（II ）试在棱AB 上确定一点M ，使截面EMC 把几何体分成两部分的体积比1:2:=MECB ADCME V V ； （III ）在点M 满足（II ）的情况下，判断直线AD 是否平行于平面EMC ，并说明理由。
【变式3】一个四棱锥的直观图和三视图如下图所示，E 为PD 中点.（I ）求证：PB//平面AEC ；（II ）求四棱锥C PAB -的体积； （Ⅲ）若F 为侧棱PA 上一点，且λ=FAPF，则λ为何值时，⊥PA 平面BDF.ECADPM E D C BA E DC BA 图1图2【变式4】如图1所示，正ABC ∆的边长为2a ，CD 是AB 边上的高，E ，F 分别是AC ，BC 的中点。
现将ABC ∆沿CD 翻折，使翻折后平面ACD ⊥平面BCD （如图2） （1）试判断翻折后直线AB 与平面DEF 的位置关系，并说明理由； （2）求三棱锥C-DEF 的体积。
四、立体几何中的最值问题例7.图4，A 1A 是圆柱的母线，AB 是圆柱底面圆的直径， C 是底面圆周上异于A ，B 的任意一点，A 1A= AB=2.(1)求证: BC ⊥平面A 1AC ；(2)求三棱锥A 1-ABC 的体积的最大值.图（2）图（1）BCD 图4A BC A 1例8. 如图，在=2,2ABC B AB BC P AB π∆∠==中，，为边上一动点，PD//BC 交AC 于 点D,现将'',PDA .PDA PD PDA PBCD ∆∆⊥沿翻折至使平面平面（1）当棱锥'A PBCD -的体积最大时，求PA 的长；（2）若点P 为AB 的中点，E 为''.AC B DE ⊥的中点，求证：A【变式5】如图3，已知在∆A B C 中，∠=︒C 90，P A ⊥平面ABC ，A E P B ⊥于E ，A F P C⊥于F ，A P A B ==2，∠=A E F θ，当θ变化时，求三棱锥PA E F-体积的最大值。
高三文科数学专题复习:立体几何平行、垂直问题（答案）【典例探究】例1解：（Ⅰ）∵M AB 为中点,D 为PB 中点, ∴MD ∥AP ，又∴MD APC ⊄平面 ∴DM ∥APC 平面（Ⅱ）∵△PMB 为正三角形,且D 为PB 中点，∴MD PB ⊥ 又由（1）∴知,MD AP ⊥ ∴AP PB ⊥ 又已知AP PC ⊥ ∴AP PBC ⊥平面， ∴AP BC ⊥，又∵AC BC ⊥∴BC APC ⊥平面,∴平面ABC ⊥平面PAC , （Ⅲ）∵20AB =，∴10MB =,∴10PB = 又4BC =，PC ===∴1114244BDC PBC S S PC BC ∆∆==•=⨯⨯=12MD AP ===又∴1133D BCM M BCD BDC V V S DM --∆==•=⨯=例2.（Ⅰ）证明：因为三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥底面ABC又因为CN ⊂平面ABC ， 所以1AA CN ⊥. ……………………… 1分 因为2AC BC ==，N 是AB 中点，所以CN AB ⊥. ………………………………………… 2分因为1AA AB A =， …………………………………………… 3分所以CN ⊥平面11ABBA ． …………………………………………… 4分 （Ⅱ）证明：取1AB 的中点G ，连结MG ，NG ，因为N ，G 分别是棱AB ，1AB 中点，ABCA 1B 1C 1MNG所以1//NG BB ，112NG BB =. 又因为1//CM BB ，112CM BB =，所以//CM NG ，CM NG =.所以四边形CNGM 是平行四边形. ………………………………………… 6分 所以//CN MG . …………………………………………………………… 7分因为CN ⊄平面1AMB ，GM ⊂平面1AMB ， …………………………… 8分 所以//CN 平面1AMB ． ……………………………………………………… 9分 （Ⅲ）由（Ⅱ）知GM ⊥平面1AB N . …………………………………………… 10分所以11MN M N 1124423223B A AB V V --==⨯⨯⨯⨯=. ………………………… 13分变式1.（1）根据中点寻找平行线即可；（2）易证1AF B F ⊥，在根据勾股定理的逆定理证明1B F EF ⊥；（3）由于点D 是线段1AB 的中点，故点D 到平面AEF 的距离是点1B 到平面AEF 距离的12，求出高按照三棱锥的体积公式计算即可。
【解析】（1）取AB 中点O ，连接DO CO ,∴=∴=,,//,21,//11CE DO CE DO AA DO AA DO 平行四边形DOCE ，⊄∴DE CO DE ,//平面ABC ，⊂CO 平面ABC ，//DE ∴平面ABC 。
（4分）（2）等腰直角三角形ABC ∆中F 为斜边的中点，BC AF ⊥∴ 又 直三棱柱111C B A ABC -，∴面⊥ABC 面C C BB 11， ⊥∴AF 面B C 1，F B AF 1⊥∴设EF F B E B EF F B E B EF F B AA AB ⊥∴=+∴===∴==121221111,,23,23,26,1 又,F EF AF = ⊥∴F B 1面AEF 。
（8分）（3）由于点D 是线段1AB 的中点，故点D 到平面AEF 的距离是点1B 到平面AEF 距离的12。
2212622B F a a a ⎛⎫=+= ⎪ ⎪⎝⎭，所以三棱锥D AEF -的高为64a ；在Rt AEF ∆中，32,22EF a AF a ==，所以三棱锥D AEF -的底面面积为268a ，故三棱锥D AEF -的体积为23166138416a a a ⨯⨯=。
（12分）O PD C BA二、线面平行与垂直的性质例3.（1）证明：在ABD △中，由于2AD =，4BD =，25AB =，∴222AD BD AB +=. …… 2分∴ AD BD ⊥．又平面PAD ⊥平面ABCD ，平面PAD 平面ABCD AD =，BD ⊂平面ABCD ， ∴BD ⊥平面PAD . …… 4分 （2）解：过P 作PO AD ⊥交AD 于O .又平面PAD ⊥平面ABCD ， ∴PO ⊥平面ABCD ． …… 6分 ∵PAD △是边长为2的等边三角形， ∴3PO =. 由（1）知，AD BD ⊥，在Rt ABD △中，斜边AB 边上的高为455AD BD h AB ⨯==. …… 8分∵AB DC ∥，∴114552225ACD S CD h =⨯=⨯⨯=△. …… 10分∴112323333A PCD P ACD ACD V V S PO --==⨯=⨯⨯=△. …… 14分例4、（I ）证明：⊥PD 平面ABCD ，BC PD ⊥∴ 又∵ABCD 是正方形，∴BC ⊥CD ， ∵PDICE=D ， ∴BC ⊥平面PCD又∵PC ⊂面PBC ，∴PC ⊥BC（II ）解：∵BC ⊥平面PCD ，∴GC 是三棱锥G —DEC 的高。