【校本课程数学竞赛讲义】第11
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1 A B C D A B
C D
A C B A B C
【校本课程数学竞赛讲义】第六章 空间向量 简单几何体 一 能力培养 1,空间想象能力 2,数形结合思想 3,转化能力 4,运算能力 二 问题探讨
问题1(如图)在棱长为1的正方体ABCD1111-ABCD中,
(1)求异面直线1AB与1BC所成的角的大小; (2)求异面直线1AB与1BC之间的距离; (3)求直线1AB与平面1BCD所成的角的大小; (4)求证:平面1ABD//平面C1B1D; (5)求证:直线A1C平面1ABD; (6)求证:平面AB1C平面1ABD; (7)求点1A到平面C1B1D的距离; (8)求二面角1A1BC1D的大小.
问题2已知斜三棱柱ABCD1111ABCD的侧面1AAC1C 与底面垂直,090ABC,2BC,23AC, 且A1A1AC, A1A=1AC. (1)求侧棱A1A和底面ABC所成的角的大小; (2)求侧面1AAB1B和底面ABC所成二面角的大小; (3)求顶点C到侧面1AAB1B的距离. 2
A B C
D
E
F
三 习题探讨 选择题 1甲烷分子由一个碳原子和四个氢原子组成,其空间构型为一正四面体,碳原子位于该正四 面体的中心,四个氢原子分别位于该正四面体的四个顶点上.若将碳原子和氢原子均视为一 个点(体积忽略不计),且已知碳原子与每个氢原子间的距离都为a,则以四个氢原子为顶点 的这个正四面体的体积为
A,3827a B,38327a C,313a D,389a 2夹在两个平行平面之间的球,圆柱,圆锥在这两个平面上的射影都是圆,则它们的体积之 比为 A,3:2:1 B,2:3:1 C,3:6:2 D,6:8:3
3设二面角a的大小是060,P是二面角内的一点,P点到,的距离分别为1cm, 2cm,则点P到棱a的距离是
A,2213cm B,213cm C,23cm D,4213cm 4如图,E,F分别是正三棱锥ABCD的棱AB,BC 的中点,且DEEF.若BC=a,则此正三棱锥的体积是
A,324a B,3224a
C,3212a D,3312a 5棱长为的正八面体的外接球的体积是 A,6 B,4327 C,823 D,23 填空题 6若线段AB的两端点到平面的距离都等于2,则线段AB所在的直线和平面 的位置关系是 .
7若异面直线,ab所原角为060,AB是公垂线,E,F分别是异面直线,ab上到A,B距离为
2和平共处的两点,当3EF时,线段AB的长为 . 8如图(1),在直四棱柱1111ABCDABCD中,当底面四边形ABCD满足条件 时,有1AC1B1D(注:填上你认为正确的一种条件即可,不必考虑所有可能的情形) 3
C D F
A B O C D E O A
A B C D P Q
9如图(2),是一个正方体的展开图,在原正方体中,有下列命题: ①AB与EF所连直线平行; ②AB与CD所在直线异面;
③MN与BF所在直线成060; ④MN与CD所在直线互相垂直. 其中正确命题的序号为 .(将所有正确的都写出) 解答题 10如图,在ABC中,AB=AC=13,BC=10,DE//BC分别交AB,AC于D,E.将ADE沿
DE折起来使得A到1A,且1ADEB为060的二面角,求1A到直线BC的最小距离.
11如图,已知矩形ABCD中,AB=1,BC=a(0)a,PA平面ABCD,且PA=1. (1)问BC边上是否存在点Q使得PQQD?并说明理由; (2)若边上有且只有一个点Q,使得PQQD,求这时二面角QPDA的正切.
A B C D A B C D 图(1) A B E N M 图(2) 4 参考答案: 问题1(1)解:如图,以D为原点建立空间直角坐标系,有1A(1,0,1),B(1,1,0),1B(1,1,1),C(0,1,0)
得1(0,1,1)AB,1(1,0,1)BC,设1AB与1BC所成的角为,则 1111
11cos222ABBCABBC
,又000180,得060
所以异面直线1AB与1BC所成的角的大小为060. (2)设点M在1AB上,点N在1BC上,且MN是1AB与1BC的公垂线,令M(1,,1)mm, N(,1,)nn,则(1,1,1)MNnmmn 由1100ABMNBCMN,得(0,1,1)(1,1,1)0(1,01)(1,1,1)0nmmnnmmn,解得23m,n23
所以111(,,)333MN,得33MN,即异面直线1AB与1BC之间的距离为33. (3)解:设平面1BCD的法向量为1(,,,)nxyz,而(0,1,0)DC,由1nDC,11nBC, 有(,,,)(0,1,0)0(,,,)(1,0,1)0xyzxyz,得0xzy,于是1(1,0,1)n, 设1n与1AB所成的角为,则 1111
(0,1,1)(1,0,1)1cos222ABnABn
,又000180,有0120.
所以直线1AB与平面1BCD所成的角为060. (4)证明:由1AB//C1D,C1D平面C1B1D,得1AB//平面C1B1D, 又BD//1B1D,1B1D平面C1B1D,得BD//平面C1B1D, 而1ABBDB,于是平面1ABD//平面C1B1D. (5)证明:A(1,0,0),1C(0,1,1),1(1,1,1)AC,(1,1,0)DB, 有11(1,1,1)(0,1,1)0ACAB及1(1,1,1)(1,1,0)0ACDB,得
11ACAB,1ACDB,1ABBDB, 5
于是,直线A1C平面1ABD. (6)证明:由(5)知1AC平面1ABD,而1AC平面AB1C,得平面AB1C平面1ABD.
(7)解:可得1BC=C1D=11DB=2,有112013(2)sin6022BCDS 由11111ABCDCABDVV,得11111(11)1332BCDSh,即3122h,得33h 所以点1A到平面11CBD的距离为33. (8)解:由(3)得平面1BCD的法向量为1n=(1,0,1),它即为平面11ABC的法向量. 设平面11BCD的法向量为2(,,,)nxyz,则21nBC, 211nBD 又11BD(0,0,1)(1,1,1)(1,1,0)
由(,,,)(1,0,1)0(,,,)(1,1,0)0xyzxyz,得yxzx,所以2(1,1,1)n 设1n与2n所成的角为,则 1212
(1,0,1)(1,1,1)6cos323nnnn
所以二面角111ABCD的大小为6arccos3. 问题2解:建立如图所示的空间直角坐标系,由题意知A(22,0,0),B(0,0,0),C(0,2,0). 又由面1AAC1C面ABC,且A1A=1AC,知点1A(2,1,3),1(2,1,3)AA, 平面ABC的法向量(0,0,1)n.
(1)112221(2,1,3)(0,0,1)2cos,21(2)1(3)AAnAAnAA,得01,45AAn 于是,侧棱1AA和底面ABC所成的角的大小是045. (2)(22,0,0),AB设面1AAB1B的法向量1(,,,)nxyz,则由 11(,,,)(2,1,3)230nAAxyzxyz 6
1(,,,)(22,0,0)220nABxyzx 得0x,3yz.于是,1(0,3,1)n,又平面ABC的法向量(0,0,1)n,得 11
1
(0,3,1)(0,0,1)1cos,241nnnnnn
,有01,60nn.
所以侧面1AAB1B和底面ABC所成二面角的大小是060. (3)从点C向面1AAB1B引垂线,D为垂足,则060CBD 121
(0,2,0)(0,3,)34BCknBCDCkkCDDCknk
所以点C到侧面1AAB1B的距离是3. 习题 1过顶点A,V与高作一截面交BC于点M,点O为正四面体的中心,1O为底面ABC的中心,
设正四面体VABC的棱长为m,则AM=32m=VM,1OM=1336AMm,
12333OAAMm,221163VOVMOMm,得1163OOVOVOma
在1RtAOO中,22211AOOOAO,即22263()()33amam,得263ma. 则1VO43a,有20311183(sin60)3227VABCVmVOa.选B. 温馨提示:正四面体外接球的半径VO:内切球的半径1OO=1:3:13aa. 2 32212341::():(2):(2)2:3:133VVVRRRRR,选B. 3设PA棱a于点A,PM平面于点M,PN平面于点N,PA=t,PAM,则
0sin1sin(60)2tt
,得3cos5sin,有3sin27或327(舍去),
所以121sin3tcm,选B. 4由DEEF,EF//AC,有DEAC,又ACBD,DEBD=D,得AC平面ABD.