2017-2018学年高中数学选修2-1课时达标检测二十 空间
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课时达标检测(二十) 空间向量与空间角、距离
一、选择题
1.已知平面α的一个法向量为n=(-2,-2,1),点A(-1,3,0)在平面α内,则点
P
(-2,1,4)到平面α的距离为( )
A.10 B.3
C.83 D.103
解析:选D 点P到平面α的距离
d
=PA―→·n|n|=-2-4-44+4+1=103.
2.在长方体ABCDA1B1C1D1中,AB=2,BC=2,DD1=3,则AC与BD1所成角的余弦值为( )
A.0 B.37070
C.-37070 D.7070
解析:选A 建立如图空间直角坐标系,则D1(0,0,3),B(2,2,0),A(2,0,0),C(0,2,0),
∴BD1―→=(-2,-2,3),AC―→=(-2,2,0).
∴cos〈BD1―→,AC―→〉=BD1―→·AC―→|BD1―→||AC―→ |=0.
∴〈BD1―→,AC―→〉=90°,其余弦值为0.
3.已知正四棱锥S ABCD的侧棱长与底面边长都相等,E是SB的中点,则AE,SD所
成的角的余弦值为( )
A.13 B.23
C.33 D.23
解析:选C 建立如图所示的空间直角坐标系,令正四棱锥的棱长为2,则A(1,-1,0),
D(-1,-1,0),S(0,0,2),E
12,12,2
2
,
∴AE―→=-12,32,22,
SD
―→
=(-1,-1,-2),
∴cos〈AE―→,SD―→〉=AE―→·SD―→AE―→||SD―→|=-33,
∴AE,SD所成的角的余弦值为33.
4.在正方体ABCDA1B1C1D1中,E是C1C的中点,则直线BE与平面B1BD所成的角的正弦
值为( )
A.-105 B.105
C.-155 D.155
解析:选B 建立如图空间直角坐标系,设正方体的棱长为2,则D(0,0,0),B(2,2,0),
B1(2,2,2),E
(0,2,1).
∴BD―→=(-2,-2,0),BB1―→=(0,0,2),BE―→=(-2,0,1).
设平面B1BD的法向量为n=(x,y,z).
∵n⊥BD―→,n⊥BB1―→,
∴ -2x-2y=0,2z=0.∴ x=-y,z=0.
令y=1,则n=(-1,1,0).
∴cos〈n,BE―→〉=n·BE―→|n||BE―→|=105,
设直线BE与平面B1BD所成角为θ,
则sin θ=|cos〈n,BE―→〉|=105.
5.正方形ABCD所在平面外有一点P,PA⊥平面ABCD.若PA=AB,则平面PAB与平面
PCD
所成的二面角的大小为( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
解析:选B 建立空间直角坐标系如图,设AB=1,
则A(0,0,0),B(0,1,0),
P(0,0,1),D(1,0,0),C
(1,1,0).
平面PAB的法向量为n1=(1,0,0).
设平面PCD的法向量n2=(x,y,z),
则 n2·PD―→=0,n2·CD―→=0,得 x-z=0,y=0.
令x=1,则z=1.
∴n2=(1,0,1),cos〈n1,n2〉=12=22.
∴平面PAB与平面PCD所成的二面角的余弦值为22.
∴此角的大小为45°.
二、填空题
6.直线l的方向向量a=(-2,3,2),平面α的一个法向量n=(4,0,1),则直线l与
平面α所成角的正弦值为________.
解析:设直线l与平面α所成的角是θ,a,n所成的角为β,sin θ=|cos β|=
-2,3,,0,
17×17
=617.
答案:617
7.在正方体ABCDA1B1C1D1中,M,N分别是棱AA1和BB1的中点,则sin〈CM―→,D1N―→〉
=________.
解析:建立如图空间直角坐标系,设正方体棱长为2,则C(0,2,0),M(2,0,1),D1(0,0,2),
N
(2,2,1).
可知CM―→=(2,-2,1),D1N―→=(2,2,-1),
CM―→·D1N
―→
=2×2+(-2)×2+1×(-1)=-1,
|CM―→|=3,|D1N―→|=3,
∴cos〈CM―→,D1N―→〉=CM―→·D1N―→|CM―→||D1N―→|=-19,
∴sin〈CM―→,D1N―→〉=459.
答案:459
8.如图,已知矩形ABCD与矩形ABEF全等,二面角DABE为直
二面角,M为AB的中点,FM与BD所成的角为θ,且cos θ=39,
则ABBC=________.
解析:建立如图所示空间直角坐标系,设AB=1,BC=λ,则F(λ,
0,0),M0,12,0,B(0,1,0),D(0,0,λ).
∵FM―→=-λ,12,0,BD―→=(0,-1,λ).
∴cos θ=|FM―→·BD―→||FM―→|·|BD―→|=-12λ2+14·λ2+1=39,
解得λ=2,所以ABBC=22.
答案:22
三、解答题
9.如图所示,已知在四面体ABCD中,O为BD的中点,CA=CB=CD=
BD
=2,AB=AD=2.
(1)求证:AO⊥平面BCD;
(2)求异面直线AB与CD所成角的余弦值.
解:(1)证明:因为BO=DO,AB=AD,所以AO⊥BD.
因为BO=DO,BC=CD,
所以CO⊥BD.
在△AOC中,由已知可得AO=1,CO=3,
而AC=2,所以AO2+CO2=AC2,
所以∠AOC=90°,即AO⊥OC.
因为BD∩OC=O,所以AO⊥平面BCD.
(2)以O为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,
则B(1,0,0),D(-1,0,0),C(0,3,0),A(0,0,1),
BA
―→
=(-1,0,1),
CD
―→
=(-1,-3,0),
所以cos〈BA―→,CD―→〉=BA―→·CD―→|BA―→||CD―→|=24,
所以异面直线AB与CD所成角的余弦值为24.
10.如图,四棱锥PABCD中,PA⊥底面ABCD,AB∥CD,AD=
CD
=1,∠BAD=120°,∠ACB=90°.
(1)求证:BC⊥平面PAC;
(2)若二面角DPCA的余弦值为55,求点A到平面PBC的距离.
解:(1)证明:∵PA⊥底面ABCD,BC⊂平面ABCD,
∴PA⊥BC,
∵∠ACB=90°,
∴BC⊥AC,
又PA∩AC=A,
∴BC⊥平面PAC.
(2)设AP=h,取CD的中点E,则AE⊥CD,
∴AE⊥AB.又∵PA⊥底面ABCD,∴PA⊥AE.
建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(0,0,0),P(0,0,h),C32,12,0,
D32,-12,0,B
(0,2,0),
AP―→=(0,0,h),AC
―→=32,1
2
,0
,
PC
―→=32,1
2
,-
h
,
PD
―→=32,-1
2
,-
h
.
设平面PAC的一个法向量为n1=(x,y,z),
则 AP―→·n1=0, AC―→·n1=0,即 hz=0,32x+12y=0.
令x=h,得n1=(h,-3h,0).
同理得平面PDC的一个法向量n2=h,0,32.
∵cos〈n1,n2〉=n1·n2|n1|·|n2|=55,
∴h=3.
又可求得平面PBC的一个法向量n3=(3,3,2),
所以,点A到平面PBC的距离为
d
=AP―→·n3|n3|=234=32.