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第3讲 立体几何中的向量方法
[做真题]
1.(2019·高考全国卷Ⅱ)如图,长方体ABCD-A1B1C1D1的底面ABCD是正方形,点E在棱AA1上,BE⊥EC1.
(1)证明:BE⊥平面EB1C1;
(2)若AE=A1E,求二面角B-EC-C1的正弦值.
解:(1)证明:由已知得,B1C1⊥平面ABB1A1,BE?平面ABB1A1,
故B1C1⊥BE.
又BE⊥EC1,
所以BE⊥平面EB1C1.
(2)由(1)知∠BEB1=90°.由题设知Rt△ABE≌Rt△A1B1E,所以∠AEB=45°,故AE=AB,AA1=2AB.
以D为坐标原点,eq \o(DA,\s\up6(→))的方向为x轴正方向,|eq \o(DA,\s\up6(→))|为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz,则C(0,1,0),B(1,1,0),C1(0,1,2),E(1,0,1),eq \o(CB,\s\up6(→))=(1,0,0),eq \o(CE,\s\up6(→))=(1,-1,1),eq \o(CC,\s\up6(→))1=(0,0,2).
设平面EBC的法向量为n=(x,y,z),则
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(CB,\s\up6(→))·n=0,,\o(CE,\s\up6(→))·n=0,))即eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x=0,,x-y+z=0,))
所以可取n=(0,-1,-1).
设平面ECC1的法向量为m=(x1,y1,z1),则
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(CC,\s\up6(→))1·m=0,,\o(CE,\s\up6(→))·m=0,))即eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2z1=0,,x1-y1+z1=0,))
所以可取m=(1,1,0).
于是cosn,m=eq \f(n·m,|n||m|)=-eq \f(1,2).
所以,二面角B-EC-C1的正弦值为eq \f(\r(3),2).
2.(2018·高考全国卷Ⅰ)如图,四边形ABCD为正方形,E,F分别为AD,BC的中点,以DF为折痕把△DFC折起,使点C到达点P的位置,且PF⊥BF.
(1)证明:平面PEF⊥平面ABFD;
(2)求DP与平面ABFD所成角的正弦值.
解:(1)证明:由已知可得,BF⊥PF,BF⊥EF,所以BF⊥平面PEF.
又BF?平面ABFD,所以平面PEF⊥平面ABFD.
(2)作PH⊥EF,垂足为H.由(1)得,PH⊥平面ABFD.
以H为坐标原点,eq \o(HF,\s\up6(→))的方向为y轴正方向,|eq \o(BF,\s\up6(→))|为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系H-xyz.
由(1)可得,DE⊥PE.又DP=2,DE=1,所以PE=eq \r(3).又PF=1,EF=2,
故PE⊥PF.
可得PH=eq \f(\r(3),2),EH=eq \f(3,2).
则H(0,0,0),Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,0,\f(\r(3),2))),Deq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-1,-\f(3,2),0)),eq \o(DP,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(3,2),\f(\r(3),2))),eq \o(HP,\s\up6(→))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,0,\f(\r(3),2)))为平面ABFD的法向量.
设DP与平面ABFD所成角为θ,
则sin θ=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(\o(HP,\s\up6(→))·\o(DP,\s\up6(→)),|\o(HP,\s\up6(→))||\o(DP,\s\up6(→))|)))=eq \f(\f(3,4),\r(3))=eq \f(\r(3),4).
所以DP与平面ABFD所成角的正弦值为eq \f(\r(3),4).
[明考情]
高考对此部分的命题较为稳定,一般为解答题,多出现在第18或19题的第二问的位置,考查利用空间向量求异面直线所成的角、线面角或二面角,难度中等偏上.
利用空间向量证明平行与垂直
[典型例题]
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.证明:
(1)BE⊥DC;
(2)BE∥平面PAD;
(3)平面PCD⊥平面PAD.
【证明】 依题意,以点A为原点建立空间直角坐标系(如图),可得B(1,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2).由E为棱
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