一、解答题1.如图,在三棱锥P ABC -中,,2,AB BC AB BC PA PB PC O ⊥=====为AC 的中点.(1)证明:AC ⊥平面PBO ;(2)若M 为棱BC 的中点,求二面角M PA C --的正弦值.2.如图,在四棱锥S ABCD -中,SA ⊥底面ABCD ,底面ABCD 是梯形,AD BC ∥,且AB SD ⊥,1SA AB BC ===,2AD =.(1)求二面角B SC D --的大小;(2)已知E 为CD 中点,问:棱SD 上是否存在一点Q ,使得BQ 与AE 垂直?若存在,请求出SQ 的长;若不存在,请说明理由.3.在多面体EF ABCD -中,平面EDCF ⊥平面ABCD ,EDCF//CD AB ,1===AD DC CB ,2AB =.(1)证明:BD EA ⊥.(2)求平面EDCF 与平面EAB 夹角的余弦值.4.如图,在多面体ABCDEF 中,四边形ABCD 是正方形,ED ⊥平面ABCD ,平面FBC ⊥平面ABCD ,BF CF ⊥,2DE AD ==.(1)求多面体ABCDEF 体积的最大值;(2)当多面体ABCDEF 体积取最大值时,求直线DF 与平面EBC 所成角. 5.如图,在三棱柱111ABC A B C -中,平面ABC ⊥平面11,90,ACC A ABC AB BC ∠==,四边形11ACC A 是菱形,160,A AC O ∠=是AC 的中点.(1)证明:BC ⊥平面11B OA ;(2)求直线OA 与平面11OB C 所成角的正弦值.2.如图,已知圆柱12O O ,过轴12O O 的截面图形ABCD 为正方形,点M 在底面圆周上,且6ABM π∠=,N 为CB 的中点.(1)求证:AM ⊥平面MBC ;(2)求直线MN 与平面AMC 所成角的余弦值.3.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P A ,PC 的中点.(1)记平面BEF 与平面ABC 的交线为l ,求证:直线l //平面P AC ; (2)若PC =AB =2,点C 是AB 的中点,求二面角E -l -C 的正弦值. 4.如图,三棱柱111ABC A B C -中,平面ABC ⊥平面1111,,2,60AAC C AB AC AA AB AC A AC ∠⊥====,过1A A 的平面交线段11B C 于点E(不与端点重合),交线段BC 于点F .(1)证明:1//AA EF ;(2)若2BF FC =,求直线11A C 与平面1AFC 所成角的正弦值.5.如图,在四棱锥P ABCD -中,底面ABCD 是直角梯形,//AB CD ,1AB =,AD =2CD =,2ADC π∠=,平面PBC ⊥平面ABCD ,且PB PC =,E 为BC 的中点,证明:平面PAE ⊥平面PBD .1.(1)证明见解析【分析】(1)根据题意利用面面垂直的性质定理可证1A O ⊥平面ABC ,再结合线面垂直的判定定理证明;(2)根据题意建系,先平面11OB C 的法向量是n ,再根据sin cos ,OA n θ=运算处理.(1)连接1A C ,因为四边形11ACC A 是菱形,则1AC AA =, 因为160A AC ∠=,故1AAC △为等边三角形,所以1A O AC ⊥.因为平面ABC ⊥平面11ACC A ,平面11A ACC ⋂平面1,ABC AC AO =⊂平面11AAC C ,所以1A O ⊥平面ABC ,BC ⊂平面ABC ,所以1A O BC ⊥.因为11,90B A BA ABC ∠=∥,所以11BC A B ⊥. 又1111OA B A A ⋂=,所以BC ⊥平面11B OA . (2)连接BO ,因为90,,ABC AB BC O ∠==是AC 的中点,所以BO AC ⊥. 又因为平面ABC ⊥平面11ACC A ,平面ABC 平面11,ACC A AC BO =⊂平面ABC ,所以BO ⊥平面11ACC A . 设2AC =,因为1A O BC ⊥,以点O 为坐标原点,1OA OA OB 、、所在直线分别为x y z 、、轴建立如图所示的空间直角坐标系,则()()()()110,0,01,0,0O A B C --、、、,()()()111,0,0,1,3,1,OA OB OC ==-=-. 设平面11OB C 的法向量是()222,,n x y z=,则122122220n OC x n OB x z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=-+=⎪⎩,取2x (3,2,n =.设直线OA 与平面11OB C 所成角为θ所以3sincos ,10OA n OA n OA nθ⋅====⋅,⊥直线OA 与平面11OB C 2.(1)证明见解析【分析】(1)先由线面垂直的性质定理及圆直径所对圆周角为直角证明线线垂直,再由线面垂直的判定定理即可证明结论.(2)根据条件建立空间直角坐标系,先求出平面AMC 的法向量n ,然后再根据直线MN 与平面AMC 所成角的正弦值为sin cos ,MN n α=及22sin cos 1αα+=求得余弦值. (1)证明:根据题意得,在圆柱12O O 中,BC ⊥底面圆1O ,即BC ⊥平面AMB , 又因为AM ⊂平面AMB ,所以AM BC ⊥, 因为点M 在底面圆周上,且AB 为底面直径, 所以2AMB π∠=,即AM BM ⊥,因为BCBM B =,且BC ⊂平面MBC ,BM ⊂平面MBC ,所以AM ⊥平面MBC . (2)如图,以点M 为坐标原点,分别以MB 、MA 方向为x 轴、y 轴正方向,过点M 作直线12O O 的平行线为z 轴建立空间直角坐标系. 设2AB =,因为6ABM π∠=,2AMB π∠=,所以1AM =,BM =.根据题意得()0,0,0M ,)B ,()0,1,0A ,)C,)N,所以()3,0,1MN =,()0,1,0MA =,()3,0,2MC =,设平面AMC 的法向量为(),,n x y z =, 由n MAn MC ⎧⊥⎨⊥⎩,得020y z =⎧⎪+=,令2x =,则0y =,z =所以平面AMC 的法向量为(2,0,n =.设直线MN 与平面AMC 所成角为α,由图可知α为锐角,所以sin cos ,MN n α===所以cos α==,即直线MN 与平面AMC3.(1)证明见解析;【分析】(1)利用三角形中位线的性质,结合线面平行的判定、性质推理作答. (2)以点C 为原点,射线CA ,CB ,CP 分别为x ,y ,z 轴非负半轴建立空间直角坐标系,借助空间向量计算作答. (1)因E ,F 分别是P A ,PC 的中点,则EF //AC ,而AC ⊂平面ABC ,EF ⊄平面ABC ,因此EF //平面ABC ,又EF ⊂平面BEF ,平面BEF 与平面ABC 的交线为l ,则EF //l ,又l ⊄平面P AC ,EF ⊂平面P AC ,所以l //平面P A C. (2)AB 是圆O 的直径,点C 是AB 的中点,AB =2,则CA ⊥CB ,又直线PC ⊥平面ABC ,即有CP ,CA ,CB 两两垂直,以点C 为原点,射线CA ,CB ,CP 分别为x ,y ,z 轴非负半轴建立空间直角坐标系,如图,而CA CB ==(0,0,1),F B E,2(0,2,1),(,2B BF E -==, 设平面EFB 的法向量(,,)n x y z =,则20202BF n y z BE n x z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩,令y =1,得(0,1,2)n =,显然(0,0,1)CF =是平面ABC 的一个法向量,则2cos ||||3CF n n CF n CF ⋅〈〉===,,所以二面角E -l -C,1CF n 〈〉=. 4.(1)证明见解析; 【分析】(1)由棱柱的性质有11//AA CC ,根据线面平行的判定可得1//AA 面11BCC B ,再由线面平行的性质证结论.(2)构建空间直角坐标系,求11A C 的方向向量和面1AFC 的法向量,应用空间向量夹角的坐标表示求线面角的正弦值. (1)在三棱柱111ABC A B C -中11//AA CC ,1AA ⊄面11BCC B ,1CC ⊂面11BCC B , 所以1//AA 面11BCC B ,又过1A A 的平面1AA EF ⋂面11BCC B EF =, 所以1//AA EF. (2)面ABC ⊥面11,,AAC C AB AC ⊥面ABC面11,AAC C AC = AB面ABC ,所以AB ⊥面11,AA C C AC ⊂面11,AA C C 则AB AC ⊥,过A 作Az ⊥面ABC ,则可构建A 为原点,,,AB AC Az 为,,x y z 轴的空间直角坐标系, 又112,60AA AB AC A AC ∠====,且2BF FC =,所以1(0,1A,1C ,(0,0,0)A ,24(,,0)33F ,则11(0,2,0)AC =,1AC =,24(,,0)33AF =, 若(,,)m x y z =为面1AFC的法向量,则13024033m AC y m AF x y ⎧⋅=+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩,令1y =,即(2,1,m =-,所以11cos ,2m AC ==⨯11A C 与平面1AFC5.证明见解析;【分析】建立空间直角坐标系,利用坐标法证明DB AE ⊥,DB AP ⊥,进而证明线面垂直与面面垂直.【详解】如图,以D 为坐标原点,以DA ,DC 的方向分别为x ,y 轴的正方向建立空间直角坐标系D xyz -,则)A,)B,()0,2,0C ,3,02E ⎫⎪⎪⎝⎭.因为PB PC =,E 为BC 的中点,所以PE BC ⊥.因为平面PBC ⊥平面ABCD 且交于BC ,所以PE ⊥平面ABCD ,令3,2P a ⎫⎪⎪⎝⎭.则()3,1,0DB =,3,022AE ⎛⎫- ⎪⎪⎝⎭=,3,2a AP ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭=, 所以0DB AE ⋅=,0DB AP ⋅=,所以DB AE ⊥,DB AP ⊥, 因为AEAP A =,AE ,AP ⊂平面PAE ,所以DB ⊥平面PAE , 因为DB ⊂平面PBD , 所以平面PBD ⊥平面PAE .参考答案:1.(1)证明见解析;. 【分析】(1)先证明PO AC ⊥和AC OB ⊥,再利用线面垂直的判定定理证明出AC ⊥平面PBO ;(2)以,,OB OC OP 为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,利用向量法求解.(1),PA PC O =为AC 的中点,PO AC ∴⊥. ,=AB BC O 为AC 的中点,AC OB ∴⊥.,,,PO AC AC OB OB PO O OB ⊥⊥⋂=⊂平面PBO ,PO ⊂平面PBO ,AC ∴⊥平面PBO .(2),2,AB BC AB BC PA PB PC ⊥=====O 为AC 的中点,AC =222,BO PO PO OB PB PO OB ∴==∴+=∴⊥.又,,,AC OB AC PO O AC PO ⊥⋂=⊂平面PAC ,OB ∴⊥平面PAC .分别以,,OB OC OP 为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,如图.所以()0,0,0O,()0,A,)B,()C,(P,.22M ⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭所以(232,,0,0,AM PA ⎛⎫==- ⎪ ⎪⎝⎭.记(),,n x y z =为平面AMP 的法向量,则0 0nAM n PA ⎧⋅=⎨⋅=⎩,即00x y+=⎨⎪=⎩,不妨令1z =,则()33,.n =而平面APC 的法向量()1,0,0m =,易知二面角M PA C --的平面角为锐角记为θ,则33cos cos ,31nmn m n m θθ⋅======⋅ 2.(1)56π(2)存在,SQ =【分析】(1)证明AB AD ⊥,SA AB ⊥,SA AD ⊥.分别以AB ,AD ,AS 为x ,y ,z 轴建立如图所示的空间直角坐标系,用空间向量法求二面角;(2)假设线段SD 上存在一点Q ,使得BQ 与AE 垂直,设SQ SD λ=,[0,1]λ∈,由BQ AE ⋅0=求出λ即可得.(1)因为SA ⊥面ABCD ,,AB AD ⊂面ABCD ,所以SA AB ⊥,SA AD ⊥.AB SD ⊥,SD SA A =,,SD SA ⊂平面SAD ,所以AB ⊥平面SAD ,而AD ⊂平面SAD ,所以AB AD ⊥分别以AB ,AD ,AS 为x ,y ,z 轴建立如图所示的空间直角坐标系,则(1,0,0)B ,(1,1,0)C ,(0,2,0)D ,(0,0,1)S ,13,,022E ⎛⎫ ⎪⎝⎭.设平面SBC 的一个法向量()1111,,x n y z =, 平面SCD 的一个法向量()2222,,n x y z =.因为(1,0,1)SB =-,(0,1,0)BC =,10n SB ⋅=10n BC ⋅=.所以11100x z y -=⎧⎨=⎩,取11x =,得11z =.所以1(1,0,1)n =.因为(1,1,1)SC =-,(0,2,1)SD =-,20n SC ⋅=,20n SD ⋅=,所以22222020x y z y z +-=⎧⎨-=⎩,取21y =得21y =,22z =,所以2(1,1,2)n =.因121212cos ,n n nn n n ⋅<>===设二面角B SC D --的大小为θ,θ为钝角,则12cos cos ,n n θ=-<>=,而[0,]θπ∈,所以56πθ=.(2)假设线段SD 上存在一点Q ,使得BQ 与AE 垂直,设SQ SD λ=,[0,1]λ∈,可得(0,2,1)Q λλ-,BQ (1,2,1)λλ=--,13,,022AE ⎛⎫= ⎪⎝⎭,因为BQ AE ⊥,所以BQ AE ⋅1302λ=-+=,解得16λ=.16SQ SD ∴==. 3.(1)证明见解析 【分析】(1)由面面垂直的性质、ED DC ⊥可得ED ⊥平面ABCD ,由线面垂直的性质得ED BD ⊥,作DM AB ⊥于M ,CN AB ⊥于N ,可得四边形ABCD 为等腰梯形,求出BD ,利用勾股定理得AD BD ⊥,再用线面垂直的判定定理和性质定理可得答案;(2)以点D 为原点,建立空间直角坐标系,求出平面EAB 、平面EDCF 的法向量,由二面角的向量求法计算可得答案. (1)因为平面EDCF ⊥平面ABCD ,且平面EDCF ⋂平面ABCD CD =,ED DC ⊥, 所以ED ⊥平面ABCD ,又BD ⊂平面ABCD ,所以ED BD ⊥,在四边形ABCD 中,作DM AB ⊥于M ,CN AB ⊥于N , 因为//CD AB ,1AD CD CB ===,2AB =,所以四边形ABCD 为等腰梯形,则12AM BN ==,所以DM =BD所以222AD BD AB +=,所以AD BD ⊥, 又⋂=ED AD D ,、⊂ED AD 平面EAD , 所以BD ⊥平面EAD ,又因为EA ⊂平面EAD ,所以BD EA ⊥; (2)如图,以点D 为原点,建立空间直角坐标系,BD =则()1,0,0A ,()B ,(E ,12C ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭,则(AE =-,(0,BE =,(DE =,12DC ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭.设平面EAB 的法向量()111,,n x y z =,则1111030n AE x n BE ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=-+=⎪⎩,可取()3,1,1n =, 设平面EDCF 的法向量()222,,m x y z =,则22230102m DE z m DC x y ⎧⋅==⎪⎨⋅=-=⎪⎩,可取()3,1,0m =,则3cos ,5mn m n m n⋅+===⨯ 由图可知,平面EDCF 与平面EAB 夹角为锐角, 所以平面EDCF 与平面EAB . 4.(1)103(2)3π 【分析】(1)利用割补法求几何体体积,再结合基本不等式求最值; (2)利用坐标法求线面夹角. (1)四边形ABCD 是正方形,ED ⊥平面ABCD , ∴四棱锥E ABCD -的体积11822233V =⨯⨯⨯=,过点F 作FH BC ⊥,交BC 于点H ,如图所示,平面FBC ⊥平面ABCD ,平面FBC 平面ABCD BC =,且FH BC ⊥,FH ⊂平面FBC ,FH ∴⊥平面ABCD ,//ED FH ∴,又FH ⊂平面FBC ,ED ⊄平面FBC ,//ED ∴平面FBC ,又DC BC ⊥,DC FH ⊥,BCFH H =,FH ,BC ⊂平面FBC ,DC ∴⊥平面FBC ,1133E BCF D BCF BCFV V SDC BF CF --∴==⨯=⨯, 在Rt BCF 中,22242BF CF BC BF CF +==⨯≥,∴当且仅当BF CF =时,BF CF ⨯有最大值为2,E BCF V -有最大值为23, ∴多面体ABCDEF 体积由最大值103. (2)以D 为原点,DA ,DC ,DE 所在直线分别为x ,y ,z 轴,建立空间直角坐标系D xyz -,如图所示,可知()0,0,0D ,()0,0,2E ,()2,2,0B ,()0,2,0C , 当BF CF =时,()1,2,1F ,设平面EBC 的法向量为(),,n x y z =,()2,2,2EB =-,()2,0,0CB =,()1,2,1DF =,则202220n CB x n EB x y z ⎧⋅==⎨⋅=+-=⎩,令1z =,则()0,1,1n =,设直线DF 与平面EBC 的夹角为θ,sin cos ,1n DF n DF n DFθ⋅∴===⋅, 故直线DF 与平面EBC 所成角为3π. 5.(1)证明见解析【分析】(1)根据题意利用面面垂直的性质定理可证1A O ⊥平面ABC ,再结合线面垂直的判定定理证明;(2)根据题意建系,先平面11OB C 的法向量是n ,再根据sin cos ,OA n θ=运算处理. (1)连接1A C ,因为四边形11ACC A 是菱形,则1AC AA =, 因为160A AC ∠=,故1AAC △为等边三角形,所以1A O AC ⊥. 因为平面ABC ⊥平面11ACC A ,平面11A ACC ⋂平面1,ABC AC AO =⊂平面11AAC C ,所以1A O ⊥平面ABC ,BC ⊂平面ABC ,所以1A O BC ⊥.因为11,90B A BA ABC ∠=∥,所以11BC A B ⊥. 又1111OA B A A ⋂=,所以BC ⊥平面11B OA . (2)连接BO ,因为90,,ABC AB BC O ∠==是AC 的中点,所以BO AC ⊥. 又因为平面ABC ⊥平面11ACC A ,平面ABC 平面11,ACC A AC BO =⊂平面ABC ,所以BO ⊥平面11ACC A . 设2AC =,因为1A O BC ⊥,以点O 为坐标原点,1OA OA OB 、、所在直线分别为x y z 、、轴建立如图所示的空间直角坐标系,则()()()()110,0,01,0,0O A B C --、、、,()()()111,0,0,1,3,1,OA OB OC ==-=-. 设平面11OB C 的法向量是()222,,n x y z=,则1221222200n OC x n OB x z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=-++=⎪⎩,取2x (3,2,n =.设直线OA 与平面11OB C 所成角为θ所以3sin cos ,10OA n OA n OA nθ⋅====⋅, ⊥直线OA 与平面11OB C 2.(1)证明见解析 【分析】(1)先由线面垂直的性质定理及圆直径所对圆周角为直角证明线线垂直,再由线面垂直的判定定理即可证明结论.(2)根据条件建立空间直角坐标系,先求出平面AMC 的法向量n ,然后再根据直线MN 与平面AMC 所成角的正弦值为sin cos ,MN n α=及22sin cos 1αα+=求得余弦值. (1)证明:根据题意得,在圆柱12O O 中,BC ⊥底面圆1O ,即BC ⊥平面AMB , 又因为AM ⊂平面AMB ,所以AM BC ⊥, 因为点M 在底面圆周上,且AB 为底面直径, 所以2AMB π∠=,即AM BM ⊥,因为BCBM B =,且BC ⊂平面MBC ,BM ⊂平面MBC ,所以AM ⊥平面MBC . (2)如图,以点M 为坐标原点,分别以MB 、MA 方向为x 轴、y 轴正方向,过点M 作直线12O O的平行线为z 轴建立空间直角坐标系.设2AB =, 因为6ABM π∠=,2AMB π∠=,所以1AM =,BM =.根据题意得()0,0,0M ,)B ,()0,1,0A ,)C,)N,所以()3,0,1MN =,()0,1,0MA =,()3,0,2MC =,设平面AMC 的法向量为(),,n x y z =, 由n MAn MC ⎧⊥⎨⊥⎩,得020y z =⎧⎪+=,令2x =,则0y =,z =所以平面AMC 的法向量为(2,0,n =.设直线MN 与平面AMC 所成角为α,由图可知α为锐角,所以sin cos ,MN n α===所以cos α==,即直线MN 与平面AMC3.(1)证明见解析;【分析】(1)利用三角形中位线的性质,结合线面平行的判定、性质推理作答. (2)以点C 为原点,射线CA ,CB ,CP 分别为x ,y ,z 轴非负半轴建立空间直角坐标系,借助空间向量计算作答. (1)因E ,F 分别是P A ,PC 的中点,则EF //AC ,而AC ⊂平面ABC ,EF ⊄平面ABC ,因此EF //平面ABC ,又EF ⊂平面BEF ,平面BEF 与平面ABC 的交线为l ,则EF //l ,又l ⊄平面P AC ,EF ⊂平面P AC , 所以l //平面P A C. (2)AB 是圆O 的直径,点C 是AB 的中点,AB =2,则CA ⊥CB ,又直线PC ⊥平面ABC ,即有CP ,CA ,CB 两两垂直,以点C 为原点,射线CA ,CB ,CP 分别为x ,y ,z 轴非负半轴建立空间直角坐标系,如图,而CA CB ==(0,0,1),F B E,2(0,2,1),(,2B BF E -==, 设平面EFB 的法向量(,,)n x y z =,则20202BF n y z BE n x z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩,令y =1,得(0,1,2)n =,显然(0,0,1)CF =是平面ABC 的一个法向量,则2cos ||||3CF n n CF n CF ⋅〈〉===,,所以二面角E -l -C,1CF n 〈〉= 4.(1)证明见解析;【分析】(1)由棱柱的性质有11//AA CC ,根据线面平行的判定可得1//AA 面11BCC B ,再由线面平行的性质证结论.(2)构建空间直角坐标系,求11A C 的方向向量和面1AFC 的法向量,应用空间向量夹角的坐标表示求线面角的正弦值.(1)在三棱柱111ABC A B C -中11//AA CC ,1AA ⊄面11BCC B ,1CC ⊂面11BCC B , 所以1//AA 面11BCC B ,又过1A A 的平面1AA EF ⋂面11BCC B EF =, 所以1//AA EF .(2)面ABC ⊥面11,,AAC C AB AC ⊥面ABC 面11,AAC C AC = AB 面ABC , 所以AB ⊥面11,AA C C AC ⊂面11,AA C C 则AB AC ⊥, 过A 作Az ⊥面ABC ,则可构建A 为原点,,,AB AC Az 为,,x y z 轴的空间直角坐标系, 又112,60AA AB AC A AC ∠====,且2BF FC =,所以1(0,1A,1C ,(0,0,0)A ,24(,,0)33F , 则11(0,2,0)AC =,1AC =,24(,,0)33AF =, 若(,,)m x y z =为面1AFC的法向量,则13024033m AC y m AF x y ⎧⋅==⎪⎨⋅=+=⎪⎩,令1y =,即(2,1,m =-,所以11cos ,m AC ==11A C 与平面1AFC5.证明见解析;【分析】建立空间直角坐标系,利用坐标法证明DB AE ⊥,DB AP ⊥,进而证明线面垂直与面面垂直.【详解】如图,以D 为坐标原点,以DA ,DC 的方向分别为x ,y 轴的正方向建立空间直角坐标系D xyz -,则)A ,)B ,()0,2,0C ,3,02E ⎫⎪⎪⎝⎭.因为PB PC =,E 为BC 的中点,所以PE BC ⊥. 因为平面PBC ⊥平面ABCD 且交于BC ,所以PE ⊥平面ABCD ,令3,2P a ⎫⎪⎪⎝⎭.则()3,1,0DB =,3,022AE ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭=,3,2a AP ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭=, 所以0DB AE ⋅=,0DB AP ⋅=,所以DB AE ⊥,DB AP ⊥, 因为AE AP A =,AE ,AP ⊂平面PAE , 所以DB ⊥平面PAE ,因为DB ⊂平面PBD ,所以平面PBD ⊥平面PAE .。