空间向量高考专题

空间向量高考专题1.【2017课标1，理18】如图，在四棱锥P-ABCD 中，AB//CD ，且90BAP CDP ∠=∠=.（1）证明：平面PAB ⊥平面PAD ；（2）若PA =PD =AB =DC ，90APD ∠=，求二面角A -PB -C 的余弦值.【答案】（1）见解析；（2）以F 为坐标原点， FA 的方向为x 轴正方向， AB 为单位长，建立如图所示的空间直角坐标系F xyz -.由（1）及已知可得2A ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭，0,0,2P ⎛ ⎝⎭，2B ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭，,1,02C ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭.所以22PC ⎛=-- ⎝⎭， ()2,0,0CB =，222PA ⎛=- ⎝⎭， ()0,1,0AB =. 设(),,n x y z =是平面PCB 的法向量，则0{0n PC n CB ⋅=⋅=，即0{ 220x y z -+-==， 可取(0,1,n =-.设(),,m x y z =是平面PAB 的法向量，则 0{0m PA m AB ⋅=⋅=，即0{ 220x z y -==， 可取()1,0,1n=.则cos ,n m n m n m ⋅==， 所以二面角A PB C --的余弦值为 2.【2017山东，理17】如图，几何体是圆柱的一部分，它是由矩形ABCD （及其内部）以AB 边所在直线为旋转轴旋转120︒得到的，G 是DF 的中点.（Ⅰ）设P 是CE 上的一点，且AP BE ⊥，求CBP ∠的大小；（Ⅱ）当3AB =，2AD =，求二面角E AG C --的大小.【答案】（Ⅰ）30CBP ∠=︒.（Ⅱ）60︒.【解析】（Ⅰ）因为AP BE ⊥， AB BE ⊥，AB ， AP ⊂平面ABP ， AB AP A ⋂=，所以BE ⊥平面ABP ，又BP ⊂平面ABP ，所以BE BP ⊥，又120EBC ∠=︒，因此30CBP ∠=︒（Ⅱ）以B 为坐标原点，分别以BE ， BP ， BA 所在的直线为x ， y ， z 轴，建立如图所示的空间直角坐标系.由题意得()0,0,3A ()2,0,0E ，()G ，()C -，故()2,0,3AE =-，()AG =， ()2,0,3CG =， 设()111,,m x y z =是平面AEG 的一个法向量.由0{ 0m AE m AG ⋅=⋅=可得1111230,{ 0,x z x -=+=取12z =，可得平面AEG的一个法向量()3,2m =.设()222,,n x y z =是平面ACG 的一个法向量.由0{ 0n AG n CG ⋅=⋅=可得22220,{ 230,x x z =+=取22z =-，可得平面ACG的一个法向量()3,2n =-. 所以1cos ,2m n m n m n ⋅==⋅. 因此所求的角为60︒.3.【2017北京，理16】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 =PDAB=4．（I ）求证：M 为PB 的中点；（II ）求二面角B -PD -A 的大小；（III ）求直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值．【答案】（Ⅰ）详见解析：（Ⅱ）3π ；【解析】 （I ）设,AC BD 交点为E ，连接ME .因为PD 平面MAC ，平面MAC ⋂平面PBD ME =，所以PD ME .因为ABCD 是正方形，所以E 为BD 的中点，所以M 为PB 的中点.（II ）取AD 的中点O ，连接OP ， OE .因为PA PD =，所以OP AD ⊥.又因为平面PAD ⊥平面ABCD ，且OP ⊂平面PAD ，所以OP ⊥平面ABCD .因为OE ⊂平面ABCD ，所以OP OE ⊥.因为ABCD 是正方形，所以OE AD ⊥.如图建立空间直角坐标系O xyz -，则(P ， ()2,0,0D ， ()2,4,0B -， ()4,4,0BD =-，(2,0,PD =.设平面BDP 的法向量为(),,n x y z =，则0{ 0n BD n PD ⋅=⋅=，即440{ 20x y x -==. 令1x =，则1y =，z =于是()2n =.平面PAD 的法向量为()0,1,0p =，所以1cos ,2n p n p n p ⋅==. 由题知二面角B PD A --为锐角，所以它的大小为3π.（III）由题意知1,M ⎛- ⎝⎭， ()2,4,0D ，3,2,MC ⎛= ⎝⎭. 设直线MC 与平面BDP 所成角为α，则2sin cos ,9n MCn MC nMC α⋅===所以直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值为9.4.【2017天津，理17】如图，在三棱锥P -ABC 中，PA ⊥底面ABC ，90BAC ∠=︒.点D ，E ，N 分别为棱PA ，P C ，BC 的中点，M 是线段AD 的中点，PA =AC =4，AB =2.（Ⅰ）求证：MN ∥平面BDE ；（Ⅱ）求二面角C -EM -N 的正弦值；（Ⅲ）已知点H 在棱PA 上，且直线NH 与直线BE ，求线段AH 的长.【答案】 （1）证明见解析（2 （3）85 或12 【解析】如图，以A 为原点，分别以AB ， AC ， AP 方向为x 轴、y 轴、z 轴正方向建立空间直角坐标系.依题意可得A （0，0，0），B （2，0，0），C （0，4，0），P （0，0，4），D （0，0，2），E （0，2，2），M （0，0，1），N （1，2，0）.（Ⅰ）证明： DE =（0，2，0），DB =（2，0， 2-）.设(),,n x y z =，为平面BDE 的法向量， 则0{ 0n DE n DB ⋅=⋅=，即20{ 220y x z =-=.不妨设1z =，可得()1,0,1n =.又MN =（1，2， 1-），可得0MN n ⋅=. 因为MN ⊄平面BDE ，所以MN //平面BDE .（Ⅲ）解：依题意，设AH =h （04h ≤≤），则H （0，0，h ），进而可得()1,2,NH h =--， ()2,2,2BE =-.由已知，得cos ,NH BE NH BE NH BE h ⋅===，整理得2102180h h -+=，解得85h =，或12h =. 所以，线段AH 的长为85或12. 5.【2017江苏，22】 如图， 在平行六面体ABCD-A 1B 1C 1D 1中，AA 1⊥平面ABCD ，且AB =AD =2，AA 1 120BAD ∠=︒.（1）求异面直线A 1B 与AC 1所成角的余弦值；（2）求二面角B-A 1D-A 的正弦值.【答案】（1）17（2 【解析】在平面ABCD 内，过点A 作AE ⊥AD ，交BC 于点E .因为AA 1⊥平面ABCD ，所以AA 1⊥AE ，AA 1⊥AD .如图，以{}1,,AE AD AA 为正交基底，建立空间直角坐标系A -xyz .因为AB =AD =2，AA 1=3， 120BAD ∠=︒. 则())())(110,0,0,1,0,0,2,0,,,A B D E A C -. (1)()(113,1,3,3,1,A B AC =--=， 则(1111113,1,1cos ,77A B AC A B AC A B AC -⋅⋅===-. 因此异面直线A 1B 与AC 1所成角的余弦值为17.(2)平面A 1DA 的一个法向量为()3,0,0AE =. 设(),,m x y z =为平面BA 1D 的一个法向量， 又()()13,1,3,3,3,0A B BD =--=-， 则10,{ 0,m AB m BD ⋅=⋅=即330,{ 30.x y zy --=+=不妨取x =3，则2y z =，所以()2m =为平面BA 1D 的一个法向量， 从而3,4AE mcosAE m AE m ⋅⋅===， 设二面角B -A 1D -A 的大小为θ，则3cos 4θ=.因为[]0,θπ∈，所以sin θ==.因此二面角B -A 1D -A 6.【2016高考新课标1卷】（本小题满分为12分）如图,在以A ,B ,C ,D ,E ,F 为顶点的五面体中,面ABEF 为正方形,AF =2FD , 90AFD ∠=,且二面角D -AF -E 与二面角C -BE -F 都是60．（I ）证明：平面ABEF ⊥平面EFDC ；（II ）求二面角E -BC -A 的余弦值．【答案】（I ）见解析（II ） 【解析】（Ⅰ）由已知可得ΑF DF ⊥，ΑF FE ⊥，所以ΑF ⊥平面ΕFDC ．又F A ⊂平面ΑΒΕF ，故平面ΑΒΕF ⊥平面ΕFDC ．（Ⅱ）过D 作DG ΕF ⊥，垂足为G ，由（Ⅰ）知DG ⊥平面ΑΒΕF ．以G 为坐标原点，GF 的方向为x 轴正方向，GF 为单位长，建立如图所示的空间直角坐标系G xyz -． 由（Ⅰ）知D F E ∠为二面角D AF E --的平面角，故60DFE ∠=，则2DF =，3DG =，可得()1,4,0A ，()3,4,0B -，()3,0,0E -，(D ．由已知，//AB EF ，所以//AB 平面EFDC ．又平面ABCD 平面EFDC DC =，故//AB CD ，//CD EF ． 由//BE AF ，可得BE ⊥平面EFDC ，所以C ΕF ∠为二面角C BE F --的平面角，60C ΕF ∠=．从而可得(C -．所以(ΕC =，()0,4,0ΕΒ=，(3,ΑC =--，()4,0,0ΑΒ=-．设(),,x y z =n 是平面ΒC Ε的法向量，则00ΕC ΕΒ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩n n，即040x y ⎧+=⎪⎨=⎪⎩，所以可取(3,0,=n ． 设m 是平面ΑΒCD 的法向量，则00ΑC ΑΒ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩m m ，同理可取()4=m．则cos ,⋅==n m n m n m 故二面角E -BC -A的余弦值为．7.【2016高考新课标2理数】如图，菱形ABCD 的对角线AC 与BD 交于点O ，5,6AB AC ==，点,E F 分别在,AD CD 上，54AE CF ==，EF 交BD 于点H ．将D E F ∆沿EF 折到D EF '∆位置，OD '= （Ⅰ）证明：D H '⊥平面ABCD ；（Ⅱ）求二面角B D A C '--的正弦值．【答案】（Ⅰ）详见解析；. 【解析】（Ⅰ）由已知得AC BD ⊥，AD CD =，又由AE CF =得AE CF AD CD=，故AC EF ∥. 因此EF HD ⊥，从而EF D H '⊥.由5AB =,6AC =得04DO B ==. 由EF AC ∥得14OH AE DO AD ==.所以1OH =，==3D H DH '. 于是222223110D H OH D O ''+=+==，故D H OH '⊥.又D H EF '⊥，而OH EF H =，所以D H ABCD '⊥平面.（Ⅱ）如图，以H 为坐标原点，HF 的方向为x 轴正方向，建立空间直角坐标系H xyz -，则()0,0,0H ，()3,1,0A --，()0,5,0B -，()3,1,0C -，()0,0,3D '，(3,4,0)AB =-，()6,0,0AC =，()3,1,3AD '=.设()111,,x y z =m 是平面ABD '的法向量，则00AB AD ⎧⋅=⎪⎨'⋅=⎪⎩m m ，即11111340330x y x y z -=⎧⎨++=⎩，所以可取()4,3,5=-m .设()222,,x y z =n 是平面ACD '的法向量，则00AC AD ⎧⋅=⎪⎨'⋅=⎪⎩n n ，即222260330x x y z =⎧⎨++=⎩，所以可取()0,3,1=-n .于是cos ,25⋅<>===m n m n m n ，sin ,25<>=m n .因此二面角B D A C '--的正弦值. 8.【2016高考天津理数】（本小题满分13分）如图，正方形ABCD 的中心为O ，四边形OBEF 为矩形，平面OBEF ⊥平面ABCD ，点G 为AB 的中点，AB =BE =2.（I ）求证：EG ∥平面ADF ；（II ）求二面角O -EF -C 的正弦值；（III ）设H 为线段AF 上的点，且AH =23HF ，求直线BH 和平面CEF 所成角的正弦值.【答案】（Ⅰ）详见解析（Ⅱ）3（Ⅲ）21【解析】依题意，OF ABCD ⊥平面，如图，以O 为点，分别以,,AD BA OF 的方向为x 轴，y 轴、z 轴的正方向建立空间直角坐标系，依题意可得(0,0,0)O ，()1,1,0,(1,1,0),(1,1,0),(11,0),(1,1,2),(0,0,2),(1,0,0)A B C D E F G -------，.（I ）证明：依题意，()(2,0,0),1,1,2AD AF ==-.设()1,,n x y z =为平面ADF 的法向量，则1100n AD n AF ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，即2020x x y z =⎧⎨-+=⎩.不妨设1z =，可得()10,2,1n =，又()0,1,2EG =-，可得10EG n ⋅=，又因为直线EG ADF ⊄平面，所以//EG ADF 平面.（II ）解：易证，()1,1,0OA =-为平面OEF 的一个法向量.依题意，()()1,1,0,1,1,2EF CF ==-.设()2,,n x y z =为平面C E F 的法向量，则2200n E F n C F ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，即020x y x y z +=⎧⎨-++=⎩ .不妨设1x =，可得()21,1,1n =-.因此有222cos ,OA n OA n OA n ⋅<>==-⋅，于是23sin,3OA n<>=，所以，二面角O EF C --的正弦值9.【2016年高考北京理数】（本小题14分）如图，在四棱锥P ABCD -中，平面PAD ⊥平面ABCD ，PA PD ⊥，PA PD =，AB AD⊥， 1AB =，2AD =，AC CD =（1）求证：PD ⊥平面PAB ；（2）求直线PB 与平面PCD 所成角的正弦值；（3）在棱PA 上是否存在点M ，使得//BM 平面PCD ？若存在，求AM AP的值；若不存在，说明理由. 【答案】（1）见解析；（2）3；（3）存在，14AM AP = 【解析】（1）因为平面PAD ⊥平面ABCD ，AB AD ⊥，所以⊥AB 平面PAD ，所以PD AB ⊥，又因为PD PA ⊥，所以⊥PD 平面PAB ；（2）取AD 的中点O ，连结PO ，CO ，因为PA PD =，所以AD PO ⊥.又因为⊂PO 平面PAD ，平面⊥PAD 平面ABCD ，所以⊥PO 平面ABCD .因为⊂CO 平面ABCD ，所以⊥PO CO .因为CD AC =，所以AD CO ⊥.如图建立空间直角坐标系xyz O -，由题意得，)1,0,0(),0,1,0(),0,0,2(),0,1,1(),0,1,0(P D C B A -.设平面PCD 的法向量为),,(z y x =，则⎪⎩⎪⎨⎧=⋅=⋅,0,0即⎩⎨⎧=-=--,02,0z x z y 令2=z ，则2,1-==y x . 所以)2,2,1(-=. 又)1,1,1(-=PB，所以33,cos -=>=<PB n . 所以直线PB 与平面PCD 所成角的正弦值为33.-中,平面BCFE⊥平面10.【2016高考浙江理数】(本题满分15分)如图,在三棱台ABC DEFABC,=90∠,BE=EF=FC=1,BC=2,AC=3.ACB(I)求证：EF⊥平面ACFD；(II)求二面角B-AD-F的平面角的余弦值.．【答案】（I）证明见解析；（II）4。