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考点37 立体几何中的向量方法
1.(2013·北京高考理科·T17)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1C1C是边长为4的正方形.平面ABC⊥
(1)求证:AA1⊥平面ABC;
(2)求二面角A1-BC1-B1的余弦值;
(3)证明:在线段BC1存在点D,使得AD⊥A1B,并求的值.
【解题指南】(1)利用面面垂直证明线面垂直.
(2)建系,求出二面角对应两个面的法向量,利用法向量的夹角求二面角的余弦值.
(3)设出D点坐标,利用向量解题.
【解析】(1)是正方形,。
又,。
(2),。
分别以为建立如图所示的空间直线坐标系。
则,,,,
设平面的法向量为,平面的法向量,
,,。
可得可取。
。
由图可知二面角A1-BC1-B1为锐角,所以余弦值为。
(3)点D的竖轴坐标为t(0t4),在平面中作于E,根据比例关系可知, ,
又,,。
2. (2013·辽宁高考理科·T18)如图, 是圆的直径,垂直圆所在的平面,是圆上的点。
求证:平面平面;
若求二面角的余弦值。
【解题指南】利用条件证明线线垂直,进而证明线面垂直,由面面垂直的判定定理解决问题;借助前面的垂直关系,建立空间直角坐标系,利用向量法求二面角的余弦值。
【解析】由是圆的直径,得;
由垂直于圆所在的平面,得平面;又平面,得;
又
所以,又因为
据面面垂直判定定理,平面平面;
过点作∥,由知平面.
如图所示,以点为坐标原点,分别以直线为轴,建立空间直角坐标系。
在直角三角形ABC中,所以
又所以
故
设平面的法向量为
则
不妨令,则故
设平面的法向量为,
由同理可得
于是
结合图形和题意,二面角的余弦值为
第19题解答图13. (2013·湖北高考理科·T19)如图,AB是圆O的直径,点C是圆O上异于A,B的点,直线PC⊥平面ABC,E,F分别是PA,PC的中点.
第19题解答图1
第19题图
第19题图
(Ⅰ)记平面BEF与平面ABC的交线为,试判断直线与平面PAC的位置关系,并加以证明。
(Ⅱ)设(Ⅰ)中的直线与圆O的另一个交点为D,且点Q满足,记直线PQ与平面ABC所成的角为,异面直线异面直线PQ与EF所成的角为α,二面角E--C的大小为,求证:
【解题指南】(Ⅰ)利用线面平行的判定和性质定理求解.(Ⅱ)用综合法,利用三角函数证明或用向量法,利用法向量的夹角证明.
【解析】(Ⅰ)直线∥平面,证明如下:
第19题解答图1
第19题解答图1
连接,因为,分别是,的中点,所以∥.
又平面,且平面,所以∥平面.而平面,且平面平面,所以∥.因为平面,平面,所以直线∥平面.
(Ⅱ)方法一:如图1,连接,由(Ⅰ)可知交线即为直线,且∥.
因为是的直径,所以,于是.
已知平面,而平面,所以.
而,所以平面.
连接,,因为平面,所以.
故就是二面角的平面角,即.
由,作∥,且.
连接,,因为是的中点,,所以,
从而四边形是平行四边形,∥.
连接,因为平面,所以是在平面内的射影,
故就是直线与平面所成的角,即.
又平面,有,知为锐角,
故为异面直线与所成的角,即,
于是在△,△,△中,分别可得
,,,
从而,即.
第19题解答图2方法二:如图2,由,作∥,且.连接,,,,,由(Ⅰ)可知交线即为直线.
第19题解答图2
以点为原点,向量所在直线分别为轴,建立如图所示的空间直角坐标系,设,则有
,
.
于是,,,
所以,从而.
又取平面的一个法向量为,可得,设平面的一个法向量为,所以由 可得 取.
于是,从而.
故,即.
4. (2013·重庆高考理科·T19)如图,四棱锥中,⊥底面,,,,为的中点,⊥.
(Ⅰ)求的长;
(Ⅱ)求二面角的正弦值.
【解题指南】建立空间直角坐标系,写出相应点的坐标根据⊥可求出的长,再通过求平面的法向量可以求出二面角的正弦值.
【解析】(Ⅰ)如图,
连接交于,因为,即为等腰三角形,又平分,故,以为坐标原点,的方向分别为轴,轴,轴的正方向,建立空间直角坐标系,则而,得.又故
因⊥底面,可设,
由为边中点, 又.因⊥.故即(舍去),所以
(Ⅱ)由(Ⅰ)知设平面的法向量为平面的法向量为由得
因此可取.
由得
因此可取
从而法向量夹角的余弦值为
故二面角的正弦值为
5. (2013·新课标Ⅰ高考理科·T18)如图,三棱柱中,,,.
(Ⅰ)证明;
(Ⅱ)若平面ABC⊥平面AA1B1B,AB=CB,求直线A1C与平面BB1
【解题指南】(Ⅰ)取AB的中点,利用线面垂直证明线线垂直.
(
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