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50道立体几何轨迹问题解析
一、多选题
1.如图,已知直四棱柱的底面是边长为4的正方形,,点为的中点,点为底面上的动点,则下列选项不正确的是(????)
A.当时,满足的点轨迹长度为
B.当时,满足的点的轨迹长度为
C.当时,存在唯一的点满足
D.当时,存在点满足
【答案】D
【分析】以D为坐标原点,DA,DC,DH所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系,求得相应点的坐标,利用数量积的运算逐项判断.
【详解】解:以D为坐标原点,DA,DC,DH所在直线分别为x,y,z轴建立如图所示空间直角坐标系:
A.当时,,设,则,因为,所以,则,即,如图在平面EFGH中,建立平面直角坐标系,
记的圆心为O,与交于,,令,解得,,所以,其对应的圆弧长度为,根据对称性可知点P的轨迹长度为:,故正确;
B.当时,则,设,则,由,得,即,如图在平面EFGH中,建立平面直角坐标系,
则点P的轨迹方程表示的轨迹是线段NQ,而,故正确;
C.当时,则,设,则,由,
得,即,
解得,所以存在唯一的点满足,故正确;
D.当时,则,设点A关于平面EFGH的对称点为,
则,所以
故不存在点P满足,故错误,
故选:D
2.如图,所在平面和四边形所在平面垂直,,,,,,若,点M为的中点,则(????)
A.四面体的体积为定值
B.点P在内的轨迹是椭圆的一部分
C.点M到直线的距离d的取值范围是
D.一定存在点P,使与所成角的余弦值为
【答案】BCD
【分析】根据,可得,再根据点的位置和椭圆的定义即可判断选项B;结合选项B的结论得到的面积不固定,利用体积的计算公式即可判断选项A;取的中点为N,连接,结合已知条件和中位线定理得到,再利用椭圆的性质即可判断选项C;
【详解】对于B,由题意知,所以,所以.由椭圆定义知,,点P在平面内的轨迹是椭圆的一部分(除去与AB共线时的点).故B正确;
对于A,因为点P在椭圆上运动,的面积不固定,而点M到平面的距离为,所以不为定值.故A错误;
对于C,如图,取的中点为N,连接,
则,且知,,
因为点P在椭圆上运动,其,故,
即,从而有.故C正确;
对于D,如图,因为所在平面和四边形所在平面垂直,所以在平面内,过的中点作垂直的直线为轴,以所在直线为轴,在平面内,过的中点作垂直的直线为轴,建立空间直角坐标系,在平面内,
不妨设点P的轨迹方程为,故设,
且,设直线与直线所成角为,
则,,
则向量与的夹角或其补角即为直线与直线所成角为
所以
.
设,则,
所以原式,而,故存在,点P满足要求,故D正确.
故选:BCD.
3.如图甲,在矩形中,,,为上一动点(不含端点),且满足将沿折起后,点在平面上的射影总在棱上,如图乙,则下列说法正确的有(????)
A.翻折后总有
B.当时,翻折后异面直线与所成角的余弦值为
C.当时,翻折后四棱锥的体积为
D.在点运动的过程中,点运动的轨迹长度为
【答案】ACD
【分析】根据线面垂直得出线线垂直,可判断A,作于,可得异面直线所成的角,判断B,作,设,,利用三角形相似可得,利用函数性质求出的范围判断D,求出棱锥的高,再由四棱锥体积公式计算可判断C.
【详解】在图乙中,因为点在平面上的射影在棱上,所以平面,
又平面,所以,又,,平面,所以平面,又平面,所以,故A正确;
如图,
在图乙中作于,连接,则,所以与所成角即为与所成角,又由平面可得平面,所以而,,则,即与所成角余弦值为,故B错误;
如上图,在图乙中作于,连接,则由平面可得,又,平面,所以平面,
又平面,则,在图甲中,如图,
作,则,,三点共线,设,,则由可得,即,又在图乙中有,
所以,所以,而,所以,,故D正确;
当时,,则,所以,
则,故C正确.
故选:ACD.
4.如图,正方体的棱长为3,E为AB的中点,,动点M在侧面内运动(含边界),则(????)
A.若∥平面,则点M的轨迹长度为
B.平面与平面ABCD的夹角的正切值为
C.平面截正方体所得的截面多边形的周长为
D.不存在一条直线l,使得l与正方体的所有棱所成的角都相等
【答案】ABC
【分析】
对于A、C项,先作出平面截正方体所得的截面,通过构造面面平行得出M轨迹及截面多边形周长;
对于B项,作出二面角计算即可;对于D项,可知所有与体对角线平行的线与正方体各棱夹角都相等.
【详解】
如图所示,
分别延长DC、D1F交于点N,连接NE并延长交DA的延长线于G点,交CB于O点,连接D1G交A1A于H点,则五边形D1FOEH为平面截正方体所得的截面,在侧面中作PQ∥D1H,可得M轨迹为线段PQ,
由已知及平行线分线段成比例可得:,
,所以,即,A
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