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文档简介
第08讲用空间向量解决立体几何问题的六种题型
考法呈现
弘考法一:用空间向量证明平行或垂直
一例题分析
【例7】
如图所示,已知矩形力BCD和矩形力DEF所在的平面互相垂直,点M,N分别在对角线BD,4E上,且BM=^BD,
AN=^AE.求证:MN1AD.
【分析】根据面面垂直的性质定理推出SB,平面ADEF,进一步推出力再根据空间向量可证
MN1AD.
【详解】在矩形4BCD中,ABLAD,
因为平面4BCDJ•平面ADEF,且平面ABC。n平面4DEF=4。,力Bu平面2BCD,
所以ABJ_平面4DEF,又因4Fu平面4DEF,所以AB14F,
又丽=丽+或+前=^DB+BA+^AE=^(AB-AD')-AB+^(AD+AF")=-|AB+|^4F,
所以而.前=(^-^AB+^AF^-AD=-^AB-AD+^AF-AD0,
所以MN14D.
【例1-2]
在三棱台力iBiCi一力BC中,^BAC=90°,力iA_L平面ABC,力=聒AB=AC=2A1C1=2,。为BC的中
点.证明:平面力遇。_L平面BCC/i.
【分析】建立如图所小的空间直角坐标系,由空间向量数量积坐标表示求出BC•4。=0,8C-=0,即
可证得BC14D,BC1441,即BC_L平面44D,再由面面垂直的判定定理即可证明.
【详解】由题意可建立如图所示的空间直角坐标系,
则4(0,0,0),8(2,0,0),C(0,2,0),4(0,0,8),£)(1,1,0),所以阮=(-2,2,0),Z5=(1,1,0),=(0,0,73).
因为阮.AD=-2+2+0=0,BC-A41=0+0+0=0,
所以说_1而,近1万1,所以BC14D,BC144i.
又AD=力,力。,力Aiu平面41AD,所以BC1平面力又BCu平面BCCiB。
所以平面1平面BCCiJ.
满分秘籍
用向量法证明异面直线垂直,可以用基向量法,也可以用空间直角坐标系。通过方向向
量(或法向量)之间的关系证明垂直或平行。
变式训练
【变式1-1]如图,在直三棱柱力BC—4181cl中,点E,尸分别为线段AB,4M的中点,4力=力。=BC/ACB=
90°.证明:EF_L平面BiCE.
【分析】根据已知条件建系,求平面/CE的一个法向量和而坐标进而证明线面垂直即可.
【详解】由直三棱柱4BC-4/1的可知CCi,平面A8C,
因为C4CBu平面4BC,所以CCi1C4CC11CB,又因为C4_LCB,
所以以{襦,而,内为正交基底建立如图所示的空间直角坐标系,
设=AC=BC=2,则C(0,0,0),Bi(0,2,2),E(l,L0),F(2,0,l),
所以丽=(1,-1,1),鬲=(0,2,2),EB^=(-1,1,2),
设平面BiCE的法向量为元=(x,y,z),则上"i=2y+2z=°,
{n•EBi=—%+y+2z=0
令z=-l,则y=l,%=-l,即元=(一1,1,一1),
所以丽=一元,即而/何,所以EF_L平面%CE.
【变式1-2】如图,已知六面体力BCDPE的面ABCD为梯形,AB//CD,ABLAD,力B=2,CD=4。=4,
棱P41平面4BCD,PA//BE,P力=4,BE=2,尸为PD的中点.
Pl
\l\E
/AB、:
DC
(1)求证:AF//^PBC;
(2)求直线BE与平面PCD所成角的大小.
【分析】(1)建立空间直角坐标系,求出平面的法向量,利用向量法证明线面平行;
(2)求出平面的法向量后利用线面角的向量公式直接求解即可.
【详解】(1)因为P41平面ABCD,所以P414B,PA1AD,S.AB1AD,
建立如图所示的空间直角坐标系。-xyz,
则4(0,0,0),5(0,2,0),£>(4,0,0),P(0,0,4),F(2,0,2),£(0,2,2),C(4,4,0),
所以疏=(0,-2,4),方=(4,2,0),衣=(2,0,2),
设平面BPC的法向量为记=(x,y,z),
则[二%-2y+4z-0,令%=],解得y=_2,z=-l,故记=(1,一2,-1),
(m-BC=4x+2y=0
所以Q•记=2x1+0x(-2)+2x(-1)=0,故前_L记,
又4FC平面PBC,所以4/7/平面PBC.
(2)由(1)^DP=(-4,0,4),DC=(0,4,0),BE=(0,0,2)
设平面PCD的法向量为£=(a,8c),贝斗一4瞋"=。,令a=l,解得b=0,c=l,
I4。=0
故元=(1,0,1),所以cos伍•网=箫=焉=?,
设直线BE与平面PCD所成的角为仇则sin8=《,又8e[0,1,所以
ZLZJ4
【变式1-3]如图,在长方体力BCD-4中,AD^AAX=1,AB=3,点E在棱力B上移动.
AG
4
(1)证明:。速14。;
(2)当荏=[9时,求与平面力CD1所成角的正弦值.
【分析】(1)建立空间直角坐标系,利用向量法证得D1E14D
(2)利用向量法求得与平面AC内所成角的正弦值.
【详解】(1)以。为原点建立如图所示空间直角坐标系,
设E(l,t,0),0<t<3,
所以布•DX=(1,t,-1)-(1,0,1)=1-1=0,
所以
(2)当荏=(前时,£(1,1,0),D^E=(1,1,-1),
4(1,0,0),C(0,3,0),AC=(-l,3,0),CD^=(0,-3,1),
设平面力CO1的法向量为元=(x,y,z),
则至=7+3尸0,故可设元=(3,i,3),
[n-CD1――3y+z=0
设DR与平面AC%所成角为仇
【变式1-4]如图所示,在正方体43。。-力道©。1中,。为AC与BD的交点,G为。的的中点,求证:&。1
平面GBD.
【分析】要证明①。,平面G5Q,只需证明①。垂直于平面GBD中的两条相交直线.易知①。18。,而4BDG
中的G,O连接后的线段GO与41。垂直的可能性最大,故不妨尝试证明必。,G。,由向量的数量积可知只
需证明4。•0G=0即可,
【详解】如图所示,连接。G,
设4/1=A1%=b,AIA=~c,则无,人二。,b-~c=0,37=0,|a|=\b\=[c|.
因为Z]0=A^AH-AO=A^A4~—+40)=A-1A+—{^A.+Z]O])=c+5(a+b),
BD=AD-AB=i4]Z)i—A^B-^=b—a,
OG=OC+CG=Q(AB+40)+—CC-^—~——A^A—5(a+b)——
所以410,BD=卜++—6),G—工)=1•历—万)+Q0+.历一方)
=c-~b—~c-a+[(所一a?)=[(也j_同2)=0,
A^O-OG=f|(a+b)+c・代@+5)_刿="0+1)2_#
-i«2+;京4-1Q—|c2—0,
所以硒J.丽,A^O1OG,即41O1BD,ArO1OG.
又因为BDnOG=。,BDu平面GBD,OGu平面GBD,
所以4。1平面GBD.
弘考法二:用空间向量解决异面直线成角问题
>3覆例题分析
【例2】已知三棱台力iBiCi—ABC,L^ABC,=AB=AC=4,cos^BAC=-^,。是线段ZiA
中点,且BD1DC.
(1)证明:BD1BjC;
(2)请选择合适的基底向量,求直线BiC与所成角的余弦值.
【分析】(1)根据条件结合余弦定理先求出力M的长度,然后再证明力。与△4。4当相似,从而可证明.
(2)选取基底{同,前,而},分别表示出瓦忑,求出模长和对应的数量积,由向量法可得出答案.
【详解】(1)证明:连接/D.设4力=a,在△力BC中,由余弦定理得
BC=J42+42-2x4x4x(-=2V10,
又DB=DC=占+16,因为8D1DC,所以2仔+16)=40,解得a=4,
由于皿=工=也,且=所以△BAD
A^D2ABxx
所以N41DB1=N力BD,所以NBDBi=90°,^BD1BXD,
又因为=所以BOI面又因为当Cu面/DC,所以BD_L/C.
(2)选取基底{拔,前,国},
--->---->--->-->[-->-->--->
B】C=+A^A+AC=——,AB+AC—AA1»
(取『=(-i-XB+ZC-踞y=1+16+16+2x-AB-^4C=35,
~B^C-~AA[=(-^-AB+AC-AA^-~AA^=-16,
3瓯,丽卜建=一等
变式训练
【变式2-1】已知正方体4BCD—4B1C1D1,点E为力中点,直线为3交平面CDE于点F.
⑴证明:点尸为的中点;
⑵若点M为棱4/1上一点,且直线MF与平面CDE所成角的正弦值为空,求苦的值.
【详解】(1)在正方体力BCD-&/的3中,CD//C1D1,又CD0平面AiBiQOi,且的历u平面48停1。1,
则CD〃平面4/的£>1,而81cl交平面CDE于点尸,即F6平面CDE/e/Ci,
又B/iu平面公/的。1,有FC平面为B1C1A,因此平面CDEC平面=EF,
于是CD"EF,而E为4小中点,
所以F为81cl的中点.
(2)以。为坐标原点,D4D&DD1方向分别为x,y,z轴的正方向,建立空间直角坐标系,
不妨设正方体的棱长为3,设/=4(0W4W1),
/Bi、7
则”(3,3尢3),C(0,3,0),E(|,0,3),F仔,3,3),
从而前=g,3A-3,0),CD=(0,3,0),FD=(|,0,3),
设平面COE的一个法向量为五二(%,y,z),则
(n-CP=0即,3y一0rx=2
1元•前=0,+3z=0,不妨取%=2,则y=0,即五=(2,0,—1),
z=-1
设直线MF与平面CDE所成角为仇
又直线MF与平面CDE所成角的正弦值为警,
|丽元|______3______等,解得4=]
因此sin0=而V=J©+(3f2
所以黑=!•
力W13
【变式2-2]如图,平行六面体ABCD-A/iCi%的所有棱长都相等,平面CD%Ci1平面N8CD,ADLDC,
二面角。1一4。一。的大小为120°,E为棱Ci/的中点.
⑴证明:CDLAE;
⑵点尸在棱CG上,AE〃平面求直线/£与。尸所成角的余弦值.
【分析】(1)根据面面垂直可得线面垂直进而得线线垂直,由二面角定义可得AD〃C=120。,进而根据中
点得线线垂直即可求,
(2)由线面平行的性质可得线线平行,由线线角的几何法可利用三角形的边角关系求解,或者建立空间直
角坐标系,利用向量的夹角即可求解.
【详解】(1)(1)因为平面CDDiCi1平面力BCD,且两平面交线为DC/D_LDC,ADu平面4BCD,
所以4。1平面CDDiJ,所以4D1Di。,力。_LDC,是二面角D1一力D—C的平面角,故
皿DC=120°.
连接DE,E为棱J%的中点,贝UDE,的小,小。1〃。。,从而。£,以).
5LAD1CD,DECtADD,DE,4。u平面NED,所以CD_L平面4ED,EDu平面因止匕CD1AE.
(2)解法1:设力B=2,则DE=一6£>1(71)2=百,所以」£■=HE=7AD?+DE2=小.
连4c交BO于点。,连接CE交OF于点G,连。G.因为4E〃平面BDF,AEu平面4BC,平面4BCn平面BDF=OG
所以4E||OG,因为。为4C中点,
所以G为CE中点,故。G=^4E=?.且直线0G与DF所成角等于直线力E与DF所成角.
在RtAEDC中,DG/CE=?,因为。。=鱼,
所以cos乙OGD=
2段吟
因此直线AE与DF所成角的余弦值为右
解法2;设4B=2,则DE=JDR2_(;%的)2=V3,所以CE=AE=>JAD2+DE2=V7.
取DC中点为G,连接EG交DF于点H,贝ijEG=DDr=2.
连接AG交BD于点/,连H/,因为ZE〃平面BDF,AEciF®AGE,平面/GEn平面2DF=田,所以4E||/H.
H/与DH所成角等于直线AE与DF所成角.
正方形ABCD中,G/=(AG,DI=aDB=管,所以GH=(EG,故H/=[AE=?.
在ADHG中,GH=(EG=|,GD=1,NEG。=60°,
由余弦定理昉=口1K14在△刖中,coszDH/=ShM-=1.
因此直线力E与DF所成角的余弦值为小
解法3:由(1)知DE1平面4BCD,以D为坐标原点,市为无轴正方向,|瓦?|为2个单位长,建立如图所示
的空间直角坐标系。-xyz.
由(1)知。。=心得4(2,0,0),B(2,2,。),C(0,2,0),E(0,0,a"0,1,回
则无1=(0,—1,百),DC=(0,2,0),AE=(-2,0,73),砺=(2,2,0).
由而=1两(0WtW1),得赤=反+而=(0,2-
因为4E〃平面ADE所以存在唯一的九fi&R,
使得4E=ADB+fiDF=4(2,2,0)+“(0,2—t,V3t)=(2A,2A+2〃-卬,6m,
故24=-2,24+2〃—=0,V3/zt=V3,解得t=|,
从而而=(。2,|8).
所以直线力E与。尸所成角的余弦值为|cos(荏,赤)|=点篇=1.
【变式2-3]如图,在三棱台ABC—481cl中,BA1BC,平面力/道力J_平面A8C,二面角为一8。一力
的大小为45。,AB=2,BC=A1B1=AAT=1.
(1)求证:Ml平面N3C;
(2)求异面直线B4与BiC所成角的余弦值.
【分析】(1)根据题意可得NB/4=45。,取中点。,连结。Bi,利用梯形和平行四边形的相关性质得
到。当184贝再利用线面垂直的判定即可得证;
(2)建立空间直角坐标系,求出相应点的坐标,分别求出两异面直线所在的方向向量,然后利用空间向量
的夹角公式即可求解.
【详解】(1)因为平面4当841平面NBC,
平面41B1B力n平面力BC=AB,BCu平面/2C,
所以BC1平面
又因为44i,BBiu平面&B1BA
所以BC144i,BC1BBr,所以NB/2是二面角为一BC-4的平面角,
因为二面角为一BC-4的大小为45。,
所以N/B4=45°.
取43中点。,连结。当,
在梯形4B/4中,B^/ZBA,。力=l=Bi4,
所以四边形是平行四边形,所以。%=44=1,OB1//AA1,
从而在三角形OB/中,ZfijBO=45°,OB^=OB=1,
所以NBBi。=NBiB。=45°,所以NBOBi=90°,BPOBJ1BA,所以A4i1BA.
又因为2a_LBC,4B,8Cu平面ABC,ABClBCB,所以叫_1_平面48c.
(2)以。为坐标原点,。8为x轴,平面/5C内过O平行于8C的直线为y轴,。当为z轴,建立如图所示
则B(l,0,0),公(-1,0,1),%(0,0,1),C(l,l,0),
所以西=(—2,0,1),B^C=(1,1,-1),
所以异面直线B4与当C所成角的余弦值为I*1=|^|=f-
【变式2-4]如图,在三棱锥P-力BC中,P41底面4BC,484。=90。.点£»、E、N分别为棱PA、PC、BC
的中点,M是线段4。的中点,PA=AC=4,AB=2.
⑴求证:MN//平面8DE;
(2)已知点H在棱P力上,且直线NH与直线BE所成角的余弦值为叫,求线段ZH的长.
【分析】(1)以点2为原点,以4B、4C、AP所在直线分别为小y、z轴建立空间直角坐标系,利用空间向
量法可证得MN//平面BDE;
(2)设力H=h(0W/iW4),则H(O,O,h),利用空间向量法可得出关于八的方程,解出h的值,即可得出结论.
【详解】(1)证明:因为P4,底面ABC,N8AC=90。,
如图,以点4为原点,以4B、AC,4P所在直线分别为%、y、z轴建立如下图所示的空间直角坐标系,
则4(0,0,0)、8(2,0,0)、C(0,4,0),P(0,0,4)、£>(0,0,2)>E(0,2,2)、”(0,0,1)、N(l,2,0),
DE=(0,2,0),DB=(2,0,-2),
设平面BDE的法向量为元=(x,y,z),贝上DE=2y=0,
In•DB=2x-2z=0
取%=1,可得元=(1,0,1),
又因为丽=(1,2,—1),则而•五=1-1=0,所以,M/Vln,
又因为MN0平面BDE,所以,MN〃平面BDE.
(2)解:依题意,设4H=h(0W/iW4),则H(O,O,h),
所以,而=(-1,-2㈤,BE=(-2,2,2),
由已知,得|cos(丽,丽=萼驾=/21=亚
1'“阿”NH|尿蓝X2显21
整理可得10/12-21/1+8=0,解得h=3或九=i,
所以,线段的长为第垮.
【变式2-5】如图,在四棱锥P—ABCD中,平面P力。_L平面4BCD,PA=PD,AD=2CD=2BC=2,CD_LBC,
BC||AD,E,尸分别为AD,PC的中点.
(1)证明:PE1CD-,
⑵若BF与CD所成的角为60°,求平面BEF和平面ABE夹角的余弦值.
【分析】(1)由题可得PE,4D,根据面面垂直的性质定理可得PEL平面/BCD,进而即得;
(2)利用坐标法,根据面面角的向量求法即得.
【详解】(1)在△PAD中,PA=PD,E为/。的中点,
••PELAD,又,•,平面PADJ_平面N2CD,平面PADC平面力BCD=力。,PEu平面PAD,
PE_L平面ABCD,又CDu平面ABCD,
:.PE1CD.
(2)如图,连接EC,由条件知BC〃ED,BC=ED,CD1BC,
所以四边形8a历为矩形,又PEI平面4BCD,BCu平面4BCD,
所以PE1BC,又BC1BE,BECPE=E,BE,PEu平面PBE,
所以BC1平面PBE,PBu平面PBE,
所以BC1PB,又BF与CO所成的角为60。,CD//BE,
从而NFBE=60。,在RtAPEC中,EF=:PC,
同理在RtAPBC中,BF=^PC,
•••EF=BF,
・•.△BEF为等边三角形,即EF=BE=CD=1,
.•.在RtAPEC中,PC=2,EC=五,得PE=6,
以£为原点,分别以£/,EB,EP为x,y,z轴建立空间直角坐标系,如图,
则E(0,0,0),B(0,1,0),F(-|,I,y),
.・•丽=(0,1,0),FF=(-1,i,y).
设平面BE尸的法向量为而=(%,y,z),
m■丽—y—0
则一锦i,i,V2n,令z=L得记=(应,°,1),
m•EF=——x+-yH-z=0
22,2
易知平面/BE的一个法向量为元=(0,0,1),
则cos(m,n)==今
二平面BEF和平面ABE夹角的余弦值为g.
弘考法三:用空间向量解决线面夹角问题
函,例题分析
【例3】已知三棱柱4BC—41B1C1中,AB=4C=2,人力==&C=2,NB4C=90,E是8C的中点,F
是线段占的上一点.
(1)求证:AB1EF;
⑵设P是棱44i上的动点(不包括边界),当APBC的面积最小时,求直线PCi与平面所成角的正弦
值.
【分析】(1)根据等腰三角形的“三线合一”证明线线垂直,结合勾股定理证明直线垂直,从而由线面垂直判
定定理得4E1平面ABC,利用线面垂直的性质进行证明即可;
(2)根据三角形的面积最小,得到P是44的中点,建立坐标系求出平面的法向量,利用向量法进行求解即
可.
【详解】(1)证明:连接4百4瓦的
Z.BAC=90°,A8=4C=2,E是BC的中点
AE1BC
LL1r-
BC=y/2AB=242,AE=BE=EC=-BC=&
•.•&4=&B=&C=2,E是BC的中点
22
•••ArE1BC,:.AXE=y]ArB-BE=34-2=V2
222
•••ArA=AE+AIE,AE1ArE
■:AEPiBC=E,AE,BCu平面力BC
•••ArE,平面ABC,vABu平面力BC,ArE1AB,
,••在三棱柱-中,AXCJ/AC,
■■ABA.AC,■■■AB1AXCX,
,,A]ECl=Ai,41及&C1uAiC^E
•••AB,平面4©E,
•••EFu平面41clE,•••AB1EF.
(2)连接PE,由(1)可知4iE_LBC,AE1BC
■:AEClAXE=E.AE.A^Eu平面力AiE,BCJ■平面
•••PEu平面44亚,•••BC1PE
•••SABCP=PE=V2PE,要使△PBC的面积最小,贝“PE最小,
又•.・HE=AXE=VL△力ME是等腰直角三角形
即PE1时,PE最小,P是A&的中点,
如图,建立以E为坐标原点,EA,EB,E4所在直线分别为x,y,z轴的空间直角坐标系:
则4(0,短0),B(-V2,0,0),C(V2,0,0),4式0,0,烟,
设Ci(x,y,z),贝!MC=&Ci,BP(V2,—V2,0)=(x,y,z—V2),得%=&,y=-V2,z=V2,
即G(短,-VI,伪,
p(o,今当,则时=(短-苧,当,
^=(0.-72,72),(-V2-V2,o),
设平面44//的法向量为记=(x,y,z),
由(沅-AA1=0得f—&丫+&z=0(
即{■无y==_Zy,令%=1,则y=-l,z=-1,即沅=(1,一1,一1),
Im-AB=0V2x—V2y=0
设直线PCi与平面44//所成角为仇
贝!jsin0=Icos<包,PC;>|==2V22V42
1后耳iFxb21
744
即直线PCi与平面441B/所成角的正弦值为等.
满分秘籍
1.图示:
【敏变式训练
【变式3-1]如图,在四棱锥S-4BCD中,底面/BCD为正方形,侧面双。为等边三角形,48=2,SC=2a.
(1)证明:平面S4DJ•平面4BCD;
(2)侧棱SC上是否存在一点P(尸不在端点处),使得直线BP与平面"C所成角的正弦值等于亨?若存在,
求出点尸的位置;若不存在,请说明理由.
【答案】(1)证明见详解;
(2)存在,点尸为SC的中点.
【分析】(1)利用面面垂直的判定定理证明即可;
(2)建立空间直角坐标系,写出各点的坐标,设米=4元,(0<4<1),由直线AP与平面&4c所成角的
正弦值等于苧,解得2=3即可.
【详解】(1)证明:因为底面为正方形,AB=2,所以CD14D,
又因为侧面SAD为等边三角形,所以48=力。=S。=2.
SC=2V2,所以S£)2+CD2=sc2,即CD1SD,又4。CSD=D,
所以CD_L平面SAD,又因为CDu平面4BCD,
所以平面£4。J_平面4BCD
(2)如图:
取4D的中点为E,连接SE,因为侧面S4D为等边三角形,
所以SE_L4。,
又由(1)可知平面S力D_L平面4BCD,平面SADC平面ABC。=4D,
SEu平面S4D,所以SE_L平面力BCD,
以E为原点,分别以屈,丽,丽的方向为%轴,y轴,z轴为正方向,建立空间直角坐标系.
4(0,—1,0),5(2,-1,0),5(0,0,V3),£)(0,1,0),C(2,l,0),
所以元=(2,1,一百),=(0,-1,-V3),AC=(2,2,0),设宓=2元,(0<2<1).
SP=(22,A,-V3A),所以P(2;U,W-g;l),所以加=(24—2"+—8/l).
设平面S4C的法向量为隹=(/瓦c),由于[回.里=。,所以卜"一点c=f.
14c•记=012Q+2b=0
令c=遮,则b=—3,a=3,所以布=(3,-3,旧),
所以8s〈范前)=孺=k』.
因为直线BP与平面SAC所成角的正弦值等于苧.
所以_______6_______浮,解得4=g或4=1(舍)
V21XV8A2-12A+8
故存在,当点尸为SC的中点时,使得直线2尸与平面S4C所成角的正弦值等于年.
【变式3-2]如图,P为圆锥的顶点,A,B为底面圆。上两点,乙4。8=g,E为P8中点,点尸在线段48上,
且4尸=2FB.
⑴证明:平面/OP_L平面。EF;
(2)若OP=AB,求直线4P与平面。EF所成角的正弦值.
【分析】(1)先证线面垂直再得面面垂直即可;
(2)建立空间直角坐标系,利用空间向量计算即可.
【详解】(1)设圆。的半径为,,
在△力。B中,。力=OB=r,Z.AOB=—,^OAB=
36
故48=V3r,又4F=2FB,故力/=雪,
22
在△力。F中,由余弦定理得OF?=0^+AF2_20A-AF-C0SZ.0AF=|0X=1r,
所以。^2+。尸2=力/2,即。4J.OF;
圆锥中,P。!底面。0,OFu底面。0,故P0_L0F,
又。力ClOP=。,所以。Fl平面40P,
又。Fu平面OEF,所以平面AOP_L平面。EF.
(2)以。为原点,建立如图所示的空间直角坐标系。-tyz,
不妨设。4=疗则。P=AB=百。4=3,。9=亨。4=1,
则4(®0,0),P(0,0,3),B(-y,I,0),4-手,I,I),F(0,1,0),
ZP=(-V3,0,3),荏=(-J,I),OF=(0,1,0),
设平面OEF的一个法向量为元=(x,y,z),
有g•匹=0,即9%+3y+Tz=0,解得元=(2百,0,]),
(71•OF=0y=0
设直线2P与平面OEF所成角为仇
则Sind=|cos<XP,n)|=盘篇=|6+3|_V39
V12-V13-26'
【变式3-3】如图,在四棱锥P—ABCD中,底面4BCD是边长为2的菱形,ACnBD=0,且P。1平面4BCQ,
P0=2,F,G分别是P8,PD的中点,E是24上一点,且AP=3AE.
(1)求证:BD〃平面EFG;
⑵若=y,求直线P力与平面EFG所成角的余弦值.
【分析】(1)通过证明BD〃GF即可证明结论;
(2)以。为原点建立空间直角坐标系,由选择条件可得相应点坐标,可得向量P力坐标与平面EFG法向量坐
标,即可得线面夹角正弦值,从而可得答案.
【详解】(1)证明:G,尸分别为PD,PB中盘,:.GF//DB,
又BD之平面GEF,GFu平面GEF,
•.B。//平面EFG;
(2)底面力BCD是边长为2的菱形,所以力C1BD,又P。1平面4BCD,。力,。8u平面力BCD,
所以P。1OA,PO10B,
如图所示,以。为原点,以。4OB,OP所在直线为招y,z轴,建立空间直角坐标系,
z
Z.DAB=y,底面A8CD是边长为2的菱形,OA=1,OD=OB=V3,
则4L0,0),B(0,丹0),D(0,一遮,0),P(0,0,2),G(0,一孚,1),尸(0,今1).
•••PA=(1,0,一2),Q=(-1,0,2),=(1,0,0),
又4P=34E,AE=-AP,OE=OA+-AP=(-,0,-),
33、337
'3237'323)
设平面EFG的一个法向量为元=(x,y,z),
21
+o
-X+V-3y-z-
n•EF=—3-o
32=
则21-令久=1,所以元=(1,0,2),
-V-3O
X-y+-Z-2X
n-EG=—323
设直线P力与平面EFG所成角为仇0e(0W
则5也”鼎=悬=|,故有cose=Vl—sin2e=:
所以直线P4与平面EFG所成角的余弦值:
【变式3-4]在圆柱。1。2中,等腰梯形2BCD为底面圆。1的内接四边形,且力。=DC=BC=1,矩形力BFE
是该圆柱的轴截面,CG为圆柱的一条母线,CG=1.
(1)求证:平面。1CG〃平面力DE;
(2)设丽=4历,Ae[0,1],试确定4的值,使得直线4P与平面4BG所成角的正弦值为甯.
【分析】(1)先证明AE〃平面%CG以及4。〃平面0CG,根据面面平行的判定定理即可证明结论;
(2)建立空间直角坐标系,求得相关点坐标,求得平面4BG的一个法向量,根据空间角的向量求法,即可
求得答案.
【详解】(1)在圆柱3。2中,4E〃CG,4EC平面0CG,CGu平面。1CG,
故AE〃平面3CG;
连接。。1,因为等腰梯形4BCD为底面圆。1的内接四边形,AD=DC=BC=1,
故乙4。)==乙BO1C=]
则△力0道为正三角形,故血。D=NCO/=泉则力。〃。传,
ADC平面O/G,OiCu平面。iCG,
故4D〃平面gCG;
5LAEnAD=A,AE,ADu平面ADE,
故平面力DE〃平面0CG.
(2)如图,以。1为坐标原点,在底面圆。1过点3垂直于平面4BFE作直线为x轴,
以0道,。1。2为y,z轴建立空间直角坐标系,
由于4。=DC=BC=1,CG=1,由(1)可知4。1=1,
故4(0,-l,0),B(0,l,0),G,D(-,E(0,-1,1),
则荏=(0,2,0),庶=(一曰9,1),
设平面力BG的一个法向量为元=(x,y,z),
则g.巫=0,即[,
tn-XG=0[-—x+-y+z^0
令x=2>/3,则无=(2百,0,3),
由丽=4福AG[0,1]>OF=(y,-pl)>
可得Pg"孚,_/一:),.•.标=停”今_"+刊,
设直线4P与平面4BG所成角为a。C[0,^],
则sine=|cos伉而)|=鬻=网一3涔匚=臂,
\n\\AP\V12+0+9-V2A2-2A+l35
即得一94+2=0,解得4=]或4=3符合46[0,1],
故A--(或%—|.
【变式3-5]如图,在直角梯形/BCD中,AD//BC,AD1CD,四边形CDEF为平行四边形,对角线CE和DF
相交于点X,平面CDEFL平面4BCD,BC=2AD,zDCF=60°,G是线段BE上一动点(不含端点).
(1)当点G为线段的中点时,证明:AG/mCDEF;
(2)若=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.
【分析】(1)连接GH,4G,由三角形中位线和边长关系可知四边形力DHG是平行四边形,即可证明4G//平面
CDEF;
(2)根据题意可知,以C为原点建立空间直角坐标系,可设前=4厢利用空间向量即可表示出尻,进而确
定G点位置,再分别求得两平面的法向量即可得出二面角E-DG-F的正弦值为手.
【详解】(1)证明:
连接GH,ZG,如下图(1)中所示:
因为四边形CDEF为平行四边形,所以H是CE中点,
又G点为线段BE的中点,则GH//BC,且GH=^BC,
y,AD//BCS.AD=~BC,所以GH//4D,GH=AD,
所以四边形4DHG是平行四边形,所以4G//DH,
又4GC平面CDEF,DHu平面CDEF,所以4G〃平面CDEF;
(2)以C为原点,CB,CD为x,y轴,过C且在平面CDEF内与CD垂直的直线为z轴,建立空间直角坐标系,如
图(2)所示:
由平面平面4BCD,Z.DCF=60°,CD=DE=2可知,
ACDF,△DEF均为边长为2的正三角形,
贝[|有。(0,2,0),5(2,0,0),E(0,3,V3),F(0,l,呵,
设泰=ABE=(-22,32,73/1),0<A<1,
则无=打一而=(一2九32,V3A)-(-2,2,0)=(2—24,34-2,V3A),
了=(1,0,0)为平面CDEF的法向量,
所以|cos(而⑻|=|2-2A|V2
V(2-2A)2+(3A-2)2+3/l2
解得4=?(其中4=0舍去),所以G(l,g,苧),
m-DE=(x1(yltz。,(0,1,V3)=71+V3Zi=0
设平面EOG的法向量为隹=(无力为以1),则有
m-'DG=(%i,ynzi)♦(1,-py)=%i-6+y2i=0
令Zi=l,贝氏1=-V5,yi=-8,故可取隹=(一百,一百,1).
n-DF=(x2fy2/z2)-(0,-1,V3)=-y2+V3z2=0
设平面FDG的法向量为元=(%2,丫2,22),则有•
22+^2=
n-DG=(x2ly2,z2)-=无0
令Z2=1,则第2=。,力=百,故可取元=(0,73,1)
所以=^r=-^-=-
cos(m,n)\m\\n\V7x2Y7-
所以二面角E—OG—F的正弦值为Jl—
即二面角E—DG—尸的正弦值为^
弘考法四:用空间向量解决面面夹角问题
画例题分析
【例4】如图,在三棱柱A8C—力iBiCi中,侧面BBiCiC为菱形,NCBBi=60°,48=BC=2,AC=AB、=0.
⑵求平面力CC\&与平面2/iCi夹角的余弦值.
【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8的,交BiC于。,连接40.
因为侧面BBiCiC为菱形,所以BiCiBCi,且。为的中点.又4C=4Bi=&,故4。,/C.
又48=BC=2,且NCBBi=60°,所以C。=1,BO=显,所以4。=V^C2-CO2=1.5LAB=2,所以4B2=
BO2+A02,所以力。1BO.
因为B。,CBiu平面BBiQC,BOnCBX=0,所以4。_L平面BB©C.
又4。u平面AC/,所以平面AC/1平面BBiQC.
(2)由(1)知,。4。5。/两两互相垂直,因此以。为坐标原点,。3,。81,。力所在直线分别为%轴,y轴,
z轴,建立如图所示的空间直角坐标系。一盯z,则4(0,0,1),B(V3,0,0),C(0,-1,0),Q(-V3,0,0).
故西=(一百,1,0),CA=(0,1,1),CB=(V3,l,o).
设元=01,乃,Z1)为平面4%遇1的一个法向量,则有产,巴=°,即[—京1+乃=°,令久
=1,则元=
IH-Ci4=o(yi+zi=o
(1,73,-73).
设行=3,丫2*2)为平面力BC的一个法向量,则有回.至=°,即j%+Z2=°令犯=1,
则隹=(1,-
百,百).因为平面力1%。||平面4BC,所以记=(1,一百,百)也是平面力中忑1的一个法向量.
所以|cos(元记〉|=*.
|n||7n|V7xv77
所以平面力CQ&与平面&B1C1夹角的余弦值提
满分秘籍
1图示:
2计算公式:
为〃2_l»r^2l
COS9=|cos〈〃1,〃2〉|—
M1IW2I~\ni\\n2\
3易错点:两个平面成角范围是[0自,二面角的范围[0,元]。
变式训练
【变式4-1]如图,在四棱锥A—BCDE中,侧面ADE1底面BCDE,底面BCDE为菱形,A.BCD=120°,AE1
AD,/.ADE=30°.
A
B«---------------
(1)若四棱锥力-8CDE的体积为1,求DE的长;
(2)求平面4BE与平面力CD所成二面角的正弦值.
【答案】(1)2
【分析】(1)过4作2GLDE于G,连接CE,根据面面垂直得性质可得4G,底面BCDE,设。E=a,求出4G,
再根据锥体的体积公式即可得解;
(2)取DE的中点。,连接。C,则。CLDE,以方的方向为x轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系,
利用向量法求解即可.
【详解】(1)如图,过4作4GlDE于G,连接CE,
因为侧面ADE1底面BCDE,且侧面ADECl底面BCDE=DE,AGu面ADE,
所以4G,底面BCDE,
设DE=a,因为力E14D,N4DE=30。,
所以/G=AD,sin30°=—ctx—=—a,
224
在菱形BCDE中,^BCD=120°,则△BCE为等边三角形,
则SRCDE=2s△BCE—手次,
所以四棱锥"BCDE的体积V.x小2xfa=9=1,
解得0E=a=2;
(2)取0E的中点0,连接0C,则0C10E,
以玩的方向为%轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系,设=4,
则。(0,2,0),E(0,-2,0),。(28,0,0),以2低-4,0),/(0,-1,⑹,
BE='CD=(-273,2,0),EA=(0,1,电DA=^0f-3,V3),
设平面/BE的法向量为记=Qx,y,z),
nil(m-BE=-2A/3X+2y=0
则—一厂令z=1,得记=(-1,—y/3,1),
Im-=y+V3z=0
设平面/CO的法向量为针=(%»1),
n•CD=—2y[3x+2y=0
令y'=V3,得五=(1,73,3),
、n-DA=-3y+V3z=0
frill1—»T\TTl'Tl_1—3+3V65
则cos(犯⑴=而而=而后~65~
故平面4BE与平面力CD所成二面角的正弦值为Jl-(-等)2=鬻.
【变式4-2】如图所示,在四棱锥E—4BCD中,底面力BCD为直角梯形,AB〃CD,4B=[CD,CD1C
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