高考中立体几何与三棱柱

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CBA DC 1A 11.【2012高考重庆文20】(本小题满分12分,(Ⅰ)小问4分,(Ⅱ)小问8分) 已知直三棱柱111ABC A B C -中,4AB =,3AC BC ==,D 为AB 的中点。

(Ⅰ)求异面直线1CC 和AB 的距离;(Ⅱ)若11AB AC ⊥,求二面角11A CD B --的平面角的余弦值。

【解析】(Ⅰ)如答(20)图1,因AC=BC , D 为AB 的中点,故CD ⊥AB 。

又直三棱柱中,1CC ⊥ 面ABC,故1CD CC⊥ ,所以异面直线1CC 和AB 的距离为=(Ⅱ):由1CD ,CD ,AB BB ⊥⊥故CD ⊥ 面11A ABB ,从而1CD DA ⊥ ,1CD DB ⊥故11A DB ∠ 为所求的二面角11A CD B --的平面角。

因1A D 是1AC 在面11A ABB 上的射影,又已知11C,AB A ⊥ 由三垂线定理的逆定理得11D,AB A ⊥从而11A AB ∠,1A DA ∠都与1B AB ∠互余,因此111A AB A DA∠=∠,所以1Rt A AD ≌11Rt B A A ,因此1111AA A B AD AA =得21118AAAD A B =⋅=从而111A D B D A D ===所以在11A DB 中,由余弦定理得222111111111cos 23A D DB A B A DB A D DB +-==⋅ 2.【2012高考新课标文19】(本小题满分12分)如图,三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,侧棱垂直底面,∠ACB=90°,AC=BC=12AA 1,D 是棱AA 1的中点(I)证明:平面BDC 1⊥平面BDC(Ⅱ)平面BDC 1分此棱柱为两部分,求这两部分体积的比. 【答案】3.【2012高考陕西文18】(本小题满分12分) 直三棱柱ABC- A 1B 1C 1中,AB=A A 1 ,CAB ∠=2π(Ⅰ)证明11B A C B ⊥;(Ⅱ)已知AB=2,11C A AB - 的体积 【答案】4.【2012高考辽宁文18】(本小题满分12分)如图,直三棱柱///ABC A B C -,90BAC ∠=,AB AC =AA ′=1,点M ,N 分别为/A B 和//B C 的中点。

(Ⅰ)证明:MN ∥平面//A ACC ; (Ⅱ)求三棱锥/A MNC -的体积。

(椎体体积公式V=13Sh,其中S 为地面面积,h 为高) 5.【2012高考江苏16】(14分)如图,在直三棱柱111ABC A B C -中,1111AB AC =,D E ,分别是棱1BC CC ,上的点(点D 不同于点C ),且AD DE F ⊥,为11B C 的中点. 求证:(1)平面ADE ⊥平面11BCC B ; (2)直线1//A F 平面ADE .【答案】证明:(1)∵111ABC A B C -是直三棱柱,∴1CC ⊥平面ABC 。

又∵AD ⊂平面ABC ,∴1CC AD ⊥。

又∵1AD DE CC DE ⊥⊂,,平面111BCC B CC DE E =,,∴AD ⊥平面11BCC B 。

又∵AD ⊂平面ADE ,∴平面ADE ⊥平面11BCC B 。

(2)∵1111A B AC =,F 为11B C 的中点,∴111A F B C ⊥。

又∵1CC ⊥平面111A B C ,且1A F ⊂平面111A B C ,∴11CC A F ⊥。

又∵111 CC B C ⊂,平面11BCC B ,1111CC B C C =,∴1A F ⊥平面111A B C 。

由(1)知,AD ⊥平面11BCC B ,∴1A F ∥AD 。

又∵AD ⊂平面1, ADE A F ∉平面ADE ,∴直线1//A F 平面ADE 6. (2013新课标Ⅱ)18.(本小题满分12分)如图,直棱柱111ABC A B C -中,,D E 分别是1,AB BB 的中点,1AA AC CB AB ===.ABCC 1A 1B 1(Ⅰ)证明:1//BC 平面1ACD ; (Ⅱ)求二面角1D ACE --的正弦值. 7. (2013新课标1卷18)如图,三棱柱111C B A ABC -中,CB CA =,1AA AB =,0160=∠BAA(1)证明:C A AB 1⊥;(2)若平面ABC ⊥平面B B AA 11,CB AB =,求直线C A 1与平面C C BB 11所成角的正弦值解:(Ⅰ)取AB 中点E ,连结CE ,1A B ,1A E , ∵AB=1AA ,1BAA ∠=060,∴1BAA ∆是正三角形, ∴1A E ⊥AB , ∵CA=CB , ∴CE ⊥AB , ∵1CE A E ⋂=E ,∴AB ⊥面1CEA , ∴AB ⊥1AC ; ……6分 (Ⅱ)由(Ⅰ)知EC ⊥AB ,1EA ⊥AB ,又∵面ABC ⊥面11ABB A ,面ABC ∩面11ABB A =AB ,∴EC ⊥面11ABB A ,∴EC ⊥1EA , ∴EA ,EC ,1EA 两两相互垂直,以E 为坐标原点,EA 的方向为x 轴正方向,|EA |为单位长度,建立如图所示空间直角坐标系O xyz -, 有题设知A(1,0,0),1A(0,,0),C(0,0,),B(-1,0,0),则BC =(1,0,),1BB =1AA =(-),1A C =(0,),……9分设n =(,,)x y z 是平面11CBB C 的法向量,则100BC BB ⎧∙=⎪⎨∙=⎪⎩n n ,即0x x ⎧=⎪⎨=⎪⎩,可取n =,1,-1), ∴1cos ,A Cn =11|A C A C ∙n |n ||∴直线A 1C 与平面BB 1C 1C 所成角的正弦值为……12分CB 1C B8.(2013北京卷理17)如图,在三棱柱111C B A ABC -中,C C AA 11是边长为4的正方形,平面⊥ABC 平面C C AA 11,5,3==BC AB . (1)求证:⊥1AA 平面ABC ; (2)求二面角111B BC A --的余弦值;(3)证明:在线段1BC 上存在点D ,使得B A AD 1⊥,并求1BC BD的值。

解:(I )因为AA 1C 1C 为正方形,所以AA 1 ⊥AC.因为平面ABC ⊥平面AA 1C 1C,且AA 1垂直于这两个平面的交线AC,所以AA 1⊥平面ABC.(II)由(I )知AA 1 ⊥AC ,AA 1 ⊥AB. 由题知AB=3,BC=5,AC=4,所以AB ⊥AC. 如图,以A 为原点建立空间直角坐标系A -xyz ,则B(0,3,0),A 1(0,0,4),B 1(0,3,4),C 1(4,0,4),设平面A 1BC 1的法向量为,,)x y z n =(,则11100A B A C ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩n n ,即34040y z x -=⎧⎨=⎩,令3z =,则0x =,4y =,所以(0,4,3)n =.同理可得,平面BB 1C 1的法向量为(3,4,0)m =,所以16cos 25⋅==n m n,m |n ||m |. 由题知二面角A 1-BC 1-B 1为锐角,所以二面角A 1-BC 1-B 1的余弦值为1625. (III)设D (,,)x y z 是直线BC1上一点,且1BD BC λ=. 所以(,3,)(4,3,4)x y z λ-=-.解得4x λ=,33y λ=-,4z λ=.所以(4,33,4)AD λλλ=-.由1·0AD A B =,即9250λ-=.解得925λ=. 因为9[0,1]25∈,所以在线段BC 1上存在点D , 使得AD ⊥A 1B. 此时,1925BD BC λ==. 9.(2013四川卷理19)如图,在三棱柱11ABC A B C -中,侧棱1AA ⊥底面ABC ,12AB AC AA ==,120BAC ∠=,1,D D 分别是线段11,BC B C 的中点,P 是线段AD 的中点.(Ⅰ)在平面ABC 内,试作出过点P 与平面1A BC 平行的直线l ,说明理由,并证明直线l ⊥平面11ADD A ;(Ⅱ)设(Ⅰ)中的直线l 交AB 于点M ,交AC 于点N ,求二面角1A A M N --的余弦值.解:()I 如图,在平面ABC 内,过点P 做直线l //BC ,因为l 在平面1ABC 外,。

BC 在平面1A BC 内,由直线与平面平行的判定定理可知,l //平面1ABC . 由已知,AB AC =,D 是BC 的中点,所以,BC AD ⊥,则直线l AD ⊥.因为1AA ⊥平面ABC ,所以1AA ⊥直线l .又因为1,AD AA 在平面11ADD A 内,且AD 与1AA 相交,所以直线平面11ADD A . …………………………………………………………………………….6分()II 解法一:连接1A P ,过A 作1AE A P ⊥于E ,过E 作1EF AM ⊥于F ,连接AF . 由()I 知,MN ⊥平面1AEA ,所以平面1AEA ⊥平面1A MN . 所以AE ⊥平面1A MN ,则1AM AE ⊥. 所以1A M ⊥平面AEF ,则1A M ⊥AF .故AFE ∠为二面角1A AM N --的平面角(设为θ). 设11AA =,则由12AB AC AA ==,120BAC ∠=,有60BAD ∠=,2,1AB AD ==. 又P 为AD 的中点,所以M 为AB 的中点,且1,12AP AM ==, 在1Rt AAP 中, 12AP =;在1Rt A AM 中, 1AM 从而,11AA AP AE A P ∙==11AA AM AF A M ∙==所以sin AE AF θ==.所以cos 5θ==.1C故二面角1A AM N --………………12分 解法二:设11AA =.如图,过1A 作1A E 平行于11B C ,以1A 为坐标原点,分别以111,AE AD ,1AA 的方向为x 轴,y 轴,z 轴的正方向,建立空间直角坐标系Oxyz (点O 与点1A 重合).则()10,0,0A ,()0,0,1A .因为P 为AD 的中点,所以,M N 分别为,AB AC 的中点,故11,1,,122M N ⎫⎛⎫⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭, 所以131,12A M ⎛⎫= ⎪⎪⎝⎭,()10,0,1A A =,()3,0,0NM =.设平面1AA M 的一个法向量为()1111,,n x y z =,则1111,,n A M n A A ⎧⊥⎪⎨⊥⎪⎩即11110,0,n A M n A A ⎧∙=⎪⎨∙=⎪⎩故有 从而111110,20.x y z z ++=⎪=⎩取11x =,则1y =,所以()11,n =. 设平面1A MN 的一个法向量为()2222,,n x y z =,则212,,n A M n NM ⎧⊥⎪⎨⊥⎪⎩即2120,0,n A M n NM ⎧∙=⎪⎨∙=⎪⎩故有()())2222221,,,10,2,,0,x y z x y z ⎧⎫∙=⎪⎪⎪⎪⎝⎭⎨⎪∙=⎪⎩ 从而222210,20.y z ++=⎨⎪=⎩取22y =,则21z =-,所以()20,2,1n =-. 设二面角1A AM N --的平面角为θ,又θ为锐角,1B 11EA 1C 1ACD则1212cos n n n n θ∙===∙.故二面角1A AM N -- ………………12分 10. (2013湖南卷文17)如图,在直棱柱111C B A ABC -中,090=∠BAC ,2==AC AB ,31=AA ,D 是BC 中点,点E 在棱1BB 上运动。