(完整版)用空间向量解立体几何问题方法归纳

用空间向量解立体几何题型与方法平行垂直问题基础知识(1) 线面平行： l ∥α? a ⊥u? a ·u ＝0? a 1a 3＋ b 1b 3＋c 1c 3＝ 0 (2) 线面垂直： l ⊥α? a ∥u? a ＝ku? a 1＝ka 3，b 1＝ kb 3，c 1＝kc 3 (3) 面面平行： α∥β? u ∥v? u ＝kv? a 3＝ka 4，b 3＝kb 4，c 3＝kc 4 (4) 面面垂直： α⊥β? u ⊥v? u ·v ＝ 0? a 3a 4＋b 3b 4＋c 3c 4＝0例 1、如图所示，在底面是矩形的四棱锥 P-ABCD 中， PA ⊥底面ABCD ， 的中点， PA ＝AB ＝1， BC ＝2.(1) 求证： EF ∥平面 PAB ； (2) 求证：平面 PAD ⊥平面 PDC.［证明］ 以 A 为原点， AB ，AD ，AP 所在直线分别为 x 轴，y 轴，z 轴，建立空A(0,0,0)，B(1,0,0)，C(1,2,0)， D(0,2,0)，P(0,0,1)，所以 E 12，1，12 ，uuur uuur uuur1)，PD ＝(0,2，－1)，AP ＝(0,0,1)，AD ＝(0,2,0)，uuur∥AB ，即 EF ∥AB.又 AB? 平面 PAB ， EF? 平面 PAB ，所以 EF ∥平面 PAB.uuur uuur uuur uuur(2)因为 AP ·DC ＝(0,0,1) (1,0·,0)＝ 0， AD ·DC ＝(0,2,0) (1,0·,0)＝0， uuur uuur uuur uuur 所以 AP ⊥ DC ， AD ⊥ DC ，即 AP ⊥DC ，AD ⊥DC.又 AP ∩ AD ＝ A ，AP? 平面 PAD ，AD? 平面 PAD ，所以 DC ⊥平面 PAD.因为 DC? 平面 PDC ，直线 l 的方向向量为 a ＝(a 1，b 1，c 1)．平面 α， β的法向量 u ＝ (a 3，b 3，c 3)， v ＝(a 4，b 4，c 4)1 uuur 1uuur F 0 ， 1，2 ，EF ＝ －2， 0， 0 ，PB ＝(1,0， uuuruuurE ，F 分别是 PC ，PD间直角坐标系如图所示，则DC ＝(1,0,0)， AB ＝(1,0,0)．uuur 1uuur uuur(1)因为 EF ＝－ 2AB ，所以 EF所以平面PAD⊥平面PDC.使用空间向量方法证明线面平行时， 既可以证明直线的方向向量和平面内一条直线的方向向 量平行，然后根据线面平行的判定定理得到线面平行， 也可以证明直线的方向向量与平面的法向 量垂直；证明面面垂直既可以证明线线垂直， 然后使用判定定理进行判定， 也可以证明两个平面 的法向量垂直 .例 2、在直三棱柱 ABC-A 1B 1C 1中，∠ABC ＝90°，BC ＝2，CC 1＝4，点 E 在线段 BB 1上，且 EB 1＝1，D ，F ，G 分别为 CC 1，C 1B 1，C 1A 1的中点． 求证： (1)B 1D ⊥平面 ABD ；(2)平面 EGF ∥平面 ABD.证明： (1)以B 为坐标原点， BA 、BC 、BB 1所在的直线分别为 x 轴、 y 轴、z 轴建立空间直角坐标系，如图所示，则 B(0,0,0)， D(0,2,2)，B 1(0,0,4)，设 BA ＝a ，则 A(a,0,0)，uuur uuur uuuur 所以BA ＝(a,0,0)，BD ＝(0,2,2)， B 1D ＝(0,2，－2)，uuuur uuur uuuur uuurB 1D ·BA ＝0， B 1D ·BD ＝0＋4－4＝0，即 B 1D ⊥BA ，B 1D ⊥BD.又 BA ∩BD ＝B ，因此 B 1D ⊥平面 ABD.a uuur a(2)由(1)知， E(0,0,3)，G 2，1，4 ，F(0,1,4)，则 EG ＝ 2，1，1 ， uuuur uuur uuuur uuurB 1D ·EG ＝0＋2－2＝0， B 1D ·EF ＝0＋2－2＝0，即 B 1D ⊥EG ，B 1D ⊥EF.又 EG ∩EF ＝E ，因此 B 1D ⊥平面 EGF. 结合 (1)可知平面 EGF ∥平面 ABD. 利用空间向量求空间角基础知识(1) 向量法求异面直线所成的角：若异面直线 a ，b 的方向向量分别为 a ，b ，异面直线所成的角为uuurEF ＝(0,1,1)，|a ·b|. |a||b|.θ，则cos θ＝|cos〈a，b〉|＝(2) 向量法求线面所成的角：求出平面的法向量 n ，直线的方向向量 a ，设线面所成的角为 θ，则|n ·a|sin θ＝|cos 〈n ，a 〉|＝|n||a|. (3) 向量法求二面角：求出二面角θ为锐角，则 cos θ＝|cos 〈n 1，n 2〉|＝||n n 11|·|n n 22||； θ为钝角，则 cos θ＝－|cos 〈 n 1，n 2〉|＝－ ||n n 11|·|n n 22||. 例 1、如图，在直三棱柱 A 1B 1C 1-ABC 中， AB ⊥AC ，AB ＝AC ＝2，A 1A ＝ 4， 点D 是BC 的中点．(1) 求异面直线 A 1B 与 C 1D 所成角的余弦值； (2) 求平面 ADC 1与平面 ABA 1 所成二面角的正弦值． uuur(2)设平面 ADC 1 的法向量为 n 1＝(x ，y ，z)，因为 AD ＝(1,1,0)， uuuurn 1·AC 1 ＝0，即 x ＋y ＝ 0 且 y ＋2z ＝0，取 z ＝1，得 x ＝ 2，y ＝－ 2，所以， n 1＝ (2，－2,1)是平面 ADC 1 的一个法向量．取平面 ABA 1 的一个法向量为 n 2＝(0,1,0)．设平面 ADC 1 与平面 ABA 1 所成面角的大小为 θ.n 1·n 22 2 5由|cos θ|＝|n 1||n 2| ＝9×1＝3，得 sin θ＝3 .5因此，平面 ADC 1 与平面 ABA 1所成二面角的正弦值为 3 .α－l －β的两个半平面 α与 β的法向量 n 1， n 2，若二面角 α－l － β所成的角若二面角 α－l － β所成的角［解］ (1)以 A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系 uuuur C(0,2,0)， D (1,1,0)，A 1(0，0,4)， A-xyz ，则 A(0,0,0)，B(2,0,0)， uuuurC1(0,2,4)，所以 A 1B ＝(2,0，－4)，C 1D (1，－1， －4)．uuuur uuuur 因为 cos〈 A 1B ， C 1D 〉uuuur uuuur A 1B ·C 1D uuuur uuuur ＝ ＝| A 1B ||C 1D | 20× 18183 10 10 所以异面直线 A 1B 与 C 1D 所成角的余弦值为31010.uuuur ACuuur ＝ (0,2,4)，所以 n 1·AD ＝例2、如图，三棱柱ABC-A1B1C1 中，CA＝CB，AB＝AA1，∠BAA1＝60°.(1) 证明：AB⊥A1C；(2) 若平面ABC⊥平面AA1B1B，AB＝CB，求直线A1C 与平面BB1C1C 所成角的正弦值．［解］ (1)证明：取 AB 的中点 O ，连接 OC ，OA 1，A 1B.因为 CA ＝CB ，所以 OC ⊥AB.由于 AB ＝AA 1，∠BAA 1＝60°，故 △AA 1B 为等边三角形，所以 OA 1⊥AB. 因为 OC ∩OA 1＝O ，所以 AB ⊥平面 OA 1C. 又 A 1C? 平面 OA 1C ，故 AB ⊥A 1C.(2)由(1)知 OC ⊥AB ，OA 1⊥AB.又平面 ABC ⊥平面 AA 1B 1B ，交线为 AB ， 所以 OC ⊥平面 AA 1B 1B ，故 OA ，OA 1，OC 两两相互垂直．uuur uuur以 O 为坐标原点， OA 的方向为 x 轴的正方向， |OA |为单位长，建立如图所示的空间直角坐标系 O-xyz. 由题设知 A （1,0,0），A 1（0， 3， 0），C （0,0， 3），B （－1,0,0）． uuur uuuur uuuur则BC ＝（1,0， 3）， BB 1 ＝ AA 1 ＝（－1， 3，0），设 n ＝(x ，y ， z)是平面 BB 1C 1C 的法向量，uuurn ·BC ＝0，x ＋ 3z ＝ 0， 则 uuuur 即可取 n ＝（ 3，1，－ 1）．n ·BB 1 ＝0.－ x ＋ 3y ＝0.uuuuruuuur A 1C ＝－ 3 ， 3) ．uuuur故 cos n ， A 1Cn ·A 1C uuuur ＝|n|| A 1C |10 5所以 A 1C 与平面 BB 1C 1C 所成角的正弦值为 105(1) 运用空间向量坐标运算求空间角的一般步骤：①建立恰当的空间直角坐标系；②求出相关点的坐标；③写出向量坐标；④结合公式进行论证、计算；⑤转化为几何结论．(2) 求空间角应注意：①两条异面直线所成的角α不一定是直线的方向向量的夹角β，即cos α＝|cos β|.②两平面的法向量的夹角不一定是所求的二面角，有可能两法向量夹角的补角为所求．例3、如图，在四棱锥S-ABCD 中，AB⊥AD，AB∥CD，CD＝3AB＝3，平面SAD⊥平面ABCD，E是线段AD 上一点，AE＝ED＝3，SE⊥AD. (1)证明：平面SBE⊥平面SEC；(2)若SE＝1，求直线CE 与平面SBC所成角的正弦值．解：(1)证明：∵平面SAD⊥平面ABCD，平面SAD∩平面ABCD＝AD，SE? 平面SAD，SE⊥ AD，∴SE⊥平面ABCD. ∵BE? 平面ABCD，∴SE⊥BE. ∵AB⊥ AD，AB∥CD，CD＝3AB＝3，AE＝ED＝3，∴∠AEB＝30°，∠CED＝60°. ∴∠BEC＝90°，即BE⊥ CE. 又SE∩ CE＝E，∴BE⊥平面SEC. ∵BE? 平面SBE，∴平面SBE⊥平面SEC.(2)由(1)知，直线ES，EB，EC两两垂直．如图，以E为原点，EB为x轴，EC为y轴，ES uuur为z 轴，建立空间直角坐标系．则E(0,0,0)，C(0,2 3，0)，S(0,0,1)，B(2,0,0)，所以CE ＝(0，－uuur uur2 3，0)，CB ＝(2，－ 2 3，0)，CS＝(0，－2 3，1)．设平面SBC 的法向量为n ＝(x，y，z)，uuurn·CB ＝0，2x－2 3y＝0，则uur 即令y＝1，得x＝3，z＝2 3，n·CS ＝0. －2 3y＋z＝0.则平面SBC的一个法向量为n ＝( 3，1,2 3)．uuur设直线CE与平面SBC所成角的大小为θ，则sin θ＝| n··C uu E ur |＝14，|n| |·CE |1故直线CE与平面SBC所成角的正弦值为4.例4、如图是多面体ABC-A1B1C1 和它的三视图．＝0，(1)线段 CC 1 上是否存在一点 E ，使 BE ⊥平面 A 1CC 1？若不存在，请说明理由，若存在，请 找出并证明；(2)求平面 C 1A 1C 与平面 A 1CA 夹角的余弦值．解： (1)由题意知 AA 1，AB ，AC 两两垂直，建立如图所示的空间直角坐标系，则 A(0,0,0)，uuuur A 1（0,0,2），B （－2,0,0），C （0，－2,0），C 1（－1，－1,2），则 CC 1 ＝（－1,1,2），uuuur uuurA 1C ＝(0，－2，－2)．设 E(x ，y ，z)，则CE ＝(x ，y ＋2，z)，uuuur uuur uuuurEC 1 ＝（－1－x ，－ 1－y,2－z ）．设 CE ＝λEC 1 （λ>0），uuuurA 1C 1 ＝（－1，－ 1,0）， x ＝－ λ－ λ，x则 y ＋ 2＝－ λ－ λ，y － λ －2－λ 则E 1＋λ， 12＋λ，2λ，1＋λ，z ＝2λ－λ，z uuur 2＋λBE ＝ 1＋λ， －2－λ 1＋λ， 2λ 1＋λuuu rBE 由 uuur uuuur A 1C1uuuur ·A 1C＝0， 2＋λ 2＋λ 1＋λ＋1＋λ＝0，－ 2－λ 2λ1＋λ＋12＋λλ＝0， 解得 λ＝2，uuur uuuur所以线段CC1 上存在一点E，CE ＝2EC1 ，使BE⊥平面A1CC1.＝0，uuuur m ·A 1C 1 ＝ 0， (2)设平面 C 1A 1C 的法向量为 m ＝(x ，y ，z)，则由 uuuurm ·A 1C ＝ 0， 取 x ＝1，则 y ＝－ 1， z ＝1.故 m ＝(1，－1,1)，而平面 A 1CA 的一个法向量为 n ＝(1,0,0)，则 cos 〈m ，n 〉＝|m m ||n n |＝ 13＝ 33，故平面 C 1A 1C 与平面 A 1CA 夹角的余弦值为 33. 利用空间向量解决探索性问题例 1、如图 1，正△ ABC 的边长为 4，CD 是 AB 边上的高， E ，F 分别是 AC 和 BC 边的中点， 现将△ ABC 沿 CD 翻折成直二面角 A-DC-B(如图 2)．(1)试判断直线 AB 与平面 DEF 的位置关系，并说明理由； (2)求二面角 E-DF-C 的余弦值；(3) 在线段 BC 上是否存在一点 P ，使AP ⊥DE ？如果存在，求出 B B C P 的值；如果不存在，请说 明理由．［解］ (1)在△ABC 中，由 E ，F 分别是 AC ，BC 中点，得 EF ∥AB.又 AB?平面 DEF ，EF?平 面 DEF ，∴AB ∥平面 DEF.(2)以点 D 为坐标原点，以直线 DB ，DC ，DA 分别为 x 轴、y 轴、 z 轴，建立空间直角坐标系，则 A(0,0,2)， B(2,0,0)，C(0，2 3，0)，E(0， 3，1)，F(1，uuur uuur uuur3，0)， DF ＝(1， 3，0)， DE ＝(0， 3，1)， DA ＝(0,0,2)．uuur平面 CDF 的法向量为 DA ＝(0,0,2)．设平面 EDF 的法向量为 n ＝(x ， y ，z)，－x －y ＝0， 得－ 2y － 2z ＝uuurDF ·n ＝0，则 uuurDE ·n ＝0， x ＋ 3y ＝ 0， 即 取 n ＝(3，－ 3， 3)， 3y ＋z ＝0，uuur cos 〈 DA ， n 〉uuur·＝| D u D u AA ur ·||n n|＝ 721，所以二面角 E-DF-C 的余弦值为721.uuur uuur uuur 2 3(3)存在．设 P(s ，t,0)，有 AP ＝(s ，t ，－ 2)，则 AP ·DE ＝ 3t －2＝0，∴t ＝ 3 ， uuur uuur uuur uuur又 BP ＝(s － 2，t,0)， PC ＝(－s,2 3－t,0)，∵BP ∥PC ，∴(s －2)(2 3－t)＝－st ，2 3 4 uuur 1uuur ∴ 3s ＋t ＝2 3. 把 t ＝ 23 3代入上式得 s ＝ 34，∴BP ＝13BC，∴在线段BC 上存在点 P ，使 AP ⊥DE. 此时， B B C P ＝31.1 空间向量法最适合于解决立体几何中的探索性问题，它无需进行复杂的作图、论证、推 理，只需通过坐标运算进行判断 .2 解题时，把要成立的结论当作条件，据此列方程或方程组，把“是否存在”问题转化为 点的坐标是否有解，是否有规定范围内的解”等，所以为使问题的解决更简单、有效，应善于 运用这一方法 . 例 2、.如图所示，在直三棱柱 ABC-A 1B1C 1中，∠ACB ＝90°，AA 1＝BC ＝2AC ＝2.(1)若 D 为 AA 1 中点，求证：平面 B 1CD ⊥平面 B 1C 1D ； (2)在 AA 1 上是否存在一点 D ，使得二面角 B 1-CD-C 1 的大小为 60°？ 解： (1)证明：如图所示，以点 C 为原点，CA ，CB ，CC 1所在直线分别为 x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系．则 C(0,0,0)，A(1,0,0)， B 1(0,2,2)，C 1(0,0,2)，D(1,0,1)，空间向量在处理空间问题时具有很大的优越性， 能把“非运算”问题“运算”化， 即通过直线的方向向量和平面的法向量解决立体几何问题．解决的关键环节之一就是建立空间直角坐标系， 因而建立空间直角坐标系问题成为近几年试题新的命题点．、经典例题领悟好例 1、如图，四棱锥 P-ABCD 中， PA ⊥底面 ABCD ，BC ＝CD ＝2，AC ＝4，π∠ACB ＝∠ACD ＝3，F 为 PC 的中点， AF ⊥PB.(1)求 PA 的长；(2)求二面角 B-AF-D 的正弦值． (1)学审题 ——审条件之审视图形由条件知 AC ⊥BD ―建―系→DB ，AC 分别为 x ，y 轴―→写出 A ，B ，C ，D 坐标―P ―A ―⊥―面―A ―B ―C ―D →uuur uuur 设P 坐标P―F―＝→CF 可得 F 坐标A ―F―⊥→PBAF ·PB ＝uuuur 即C 1B 1 uuuur uuur ＝(0,2,0)， DC 1 ＝(－1,0,1)，CD ＝(1,0,1)． uuuur 由 C 1B 1 uuur uuuur uuurCD ＝(0,2,0) (1,0·,1)＝0＋0＋0＝0，得C 1B 1 ⊥CD ，即C 1B 1⊥CD. uuuur 由 DC 1 uuur uuuur uuurCD ＝(－1,0,1)(1,0·,1)＝－1＋0＋1＝0，得 DC 1 ⊥CD ，即 DC 1⊥CD. 又 DC 1∩C 1B 1＝C 1，∴CD ⊥平面 B 1C 1D.又 CD? 平面 B 1CD ，∴平面 B 1CD ⊥平面 B 1C 1D.(2)存在．当 AD ＝ 时，二面角 B 1-CD-C 1 的大小为 60°.理由如下： uuur uuur 设 AD ＝a ，则 D 点坐标为 (1,0，a)， CD ＝(1,0，a)，CB 1 ＝(0,2,2)， 设平面 B 1CD 的法向量为 m ＝(x ，y ， z)，uuur m ·CB 1 ＝ 02y ＋2z ＝0，则 uuur ?令 z ＝－1，得 m ＝(a,1，－ 1)．m ·CD ＝0 x ＋az ＝ 0， uuur uuur|m ·CB |又∵CB ＝(0,2,0)为平面 C 1CD 的一个法向量，则 cos 60 ＝° uuur |m| |·CB |＝a 2＋ 21＝2，2解得 a ＝ 2(负值舍去 )，故 AD ＝ 2＝ 2 AA 1.∴在AA 1 上存在一点 D 满足题意．空间直角坐标系建立的创新问题 (2) 学审题uuur由 (1) ―→ ADuuur AFuuur AB 的0―→得 P 坐标并求 PA 长．向量n―1，――n2―分―别―为―平―面――F ―A ―D 、――平―面―F ―A ―B―的→法向量n 1·u A u D ur ＝0且n 1·u A u F ur＝0―→求得n 1·n 2―→求得夹 角余弦．［解］ （1）如图，连接 BD 交AC 于O ，因为 BC ＝CD ，即△BCD 为等腰三角形，又 AC 平分∠ uuur uuur uuurBCD ，故 AC ⊥BD.以O 为坐标原点， OB ，OC ， AP 的方向分别为 x 轴，y 轴， z 轴的正方向，ππ建立空间直角坐标系 O-xyz ，则 OC ＝CDcos 3＝ 1.而 AC ＝4，得 AO ＝AC －OC ＝3.又 OD ＝CDsin 3＝ 3，故 A （0，－ 3,0），B （ 3，0,0），C （0,1,0），D （－ 3，0,0）．z uuur z因PA ⊥底面ABCD ，可设P （0，－3，z ）．由F 为PC 边中点，知F0，－1，2.又AF ＝ 0，2，2，uuurz 2PB ＝0，即 6－2＝0，z ＝2 3（舍去－ 2 3）， uuur所以 |PA |＝2 3.uuur uuur （2）由（1）知AD ＝（－ 3，3,0）， ABuuur uuurPB ＝（ 3，3，－ z ），AF ⊥PB ，故 uuur＝（ 3， 3,0）， AF ＝（0,2， 3）．设平面 FAD 的法n 1＝（x 1，y 1，z 1），平面 FAB 的法向量为 n 2＝（x 2，y 2，z 2）， uuur由 n 1·AD ＝ 0， uuur － 3x 1＋ 3y 1＝ 0， AF ＝ 0，得2y 1＋ 3z 1＝ 0，因此可取 n 1＝（3， 3，－ 2）．uuur由 n 2·AB ＝ 0， uuur 3x 2＋3y 2＝ 0，AF ＝0，得故可取 n 2＝（3，－ 3，2）．从而法向量 n 1，n 2 的夹角的余弦值为 cos 〈n 1， n 2〉＝ n 1·n 2 1|n 1||·n 2|＝8.故二面角B-AF-D 的正弦值为387.建立空间直角坐标系的基本思想是寻找其中的线线垂直关系 本题利用 AC ⊥BD ，若图中存 在交于一点的三条直线两两垂直，则以该点为原点建立空间直角坐标系 .在没有明显的垂直关系 时，要通过其他已知条件得到垂直关系，在此基础上选择一个合理的位置建立空间直角坐标系， 注意建立的空间直角坐标系是右手系，正确确定坐标轴的名称 .例 2、如图，在空间几何体中，平面 ACD ⊥平面 ABC ，AB ＝BC ＝ CA ＝DA ＝ DC ＝BE ＝2.BE 与平面 ABC 所成的角为 60°，且点 E 在平面 ABC 内的射影落在∠ ABC 的平分线上．（1）求证： DE ∥平面 ABC ； （2）求二面角 E-BC-A 的余弦值．解：证明： （1）易知△ABC ，△ACD 都是边长为 2的等边三角形，取 AC 的中点 O ，连接 BO ，DO ，则 BO ⊥AC ，DO ⊥AC. ∵平面 ACD ⊥平面 ABC ， ∴DO ⊥平面 ABC.作 EF ⊥平面 ABC ，则 EF ∥DO. 根据题意，点 F 落在 BO 上，∴∠EBF ＝60 °， 易求得 EF ＝DO ＝ 3，∴四边形DEFO 是平行四边形， DE ∥OF. ∵DE?平面 ABC ，OF? 平面 ABC ，∴DE ∥平面 ABC.（2）建立如图所示的空间直角坐标系 O-xyz ，可求得平面 ABC 的一个法向量为 n 1＝（0,0,1）． uuur uuur可得C （－1,0,0），B （0， 3，0），E （0， 3－1， 3），则CB ＝（1， 3，0）， BE ＝（0，－1， 3）y ，z ） ·（0，－ 1， 3）＝0，可取 n 2＝（－3， 3，1）．设平面 BCE 的法向量为 n 2＝（x ， uuur y ，z ），则可得 n 2·CB ＝0， uuurn 2·BE ＝0，故 cos 〈n 1，n 2 〉n 1·n 1 13|n 1||·n 2|＝ 13 .又由图知， 所求二面角的平面角是锐角，即（x ，y ，z ） ·（1， 3，0）＝0，（x ，故二面角 E-BC-A 的余弦值为 1133.专题训练1.如图所示，在多面体 ABCD －A 1B 1C 1D 1中，上、下两个底面 A 1B 1C 1D 1和 ABCD 互相平行， 且都是正方形， DD 1⊥底面 ABCD ，AB ∥A 1B 1，AB ＝ 2A 1B 1＝2DD 1＝2a. (1)求异面直线 AB 1 与 DD 1所成角的余弦值； (2)已知 F 是 AD 的中点，求证： FB 1⊥平面 BCC 1B 1. 解：以 D 为原点， DA ， DC ，DD 1所在直线分别为 x 轴，y 轴，z 轴，建立如图所示的空间直角 坐标系，则 A （2a,0,0），B （2a,2a,0）， C （0,2a,0），D 1（0,0，a ），F （a,0,0）， uuuur uuuur uuuur uuuur （1）∵AB 1＝（－a ，a ，a ），DD 1＝（0,0，a ），∴cos 〈 AB 1 ， DD 1 〉 B 1（a ，a ，a ），C 1（0，a ，a ）． uuuur uuuur AB 1 ·DD 1 3 ＝ uuuur uuuur ＝ ，|AB 1 | ·|DD 1 | 33 所以异面直线 AB 1 与 DD 1 所成角的余弦值为3 .uuuur uuur uuur（2）证明：∵BB 1＝（－a ，－a ，a ），BC ＝（－2a,0,0），FB 1＝（0， uuurFB 1 uuur FB 1 uuuur BB 1 ＝0， uuur ∴FB 1⊥BB 1， FB 1⊥BC. ·BC ＝ 0.a ，a)， ∵BB 1∩ BC ＝ B ，∴FB 1⊥平面BCC 1B 1.2．如图，在三棱柱 ABC-A 1B 1C 1中，AA 1C 1C 是边长为 4的正方形，平面ABC ⊥平面 AA 1C 1C ，AB ＝ 3， BC ＝5.(1)求证： AA 1⊥平面 ABC ； (2)求二面角 A 1-BC 1-B 1 的余弦值；BD(3)证明：在线段 BC 1上存在点 D ，使得 AD ⊥A 1B ，并求 BC1的值．解： (1)证明：因为四边形 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.(2)由(1)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)，uuuur A 1B ＝uuuur－ 4)， A 1C 1 ＝(4,0,0)．设平面 A 1BC 1 的法向量为 n ＝(x ，y ，z)，uuuurn ·A 1B ＝0， 3y －4z ＝ 0，则 uuuur 即 令 z ＝3，则 x ＝ 0，y ＝4，所以 n ＝(0,4,3)．n ·A 1C 1 ＝0.4x ＝ 0.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 25uuur uuuur(3) 证明：设 D(x ，y ，z)是直线 BC 1 上一点，且 BD ＝λBC 1 .所以 (x ，y －3，z)＝λ(4，－ 3,4)．解得 x ＝4λ，y ＝3－3λ，z ＝4λ.uuur uuur uuuur所以 AD ＝(4λ，3－3λ，4λ)．由 AD ·A 1B ＝0，即 9－25λ＝0，解得9因为25∈[0,1]，所以在线段 BC 1 上存在点 D ，使得 AD ⊥A 1B.BD 9 此时，BC1＝λ＝25.3．如图(1)，四边形 ABCD 中，E 是BC 的中点， DB ＝2，DC ＝1，BC ＝ 5，AB ＝AD ＝ 2.将图(1)沿直线 BD 折起，使得二面角 A-BD-C 为 60°，如图(2)．(1)求证： AE ⊥平面 BDC ；(2)求直线 AC 与平面 ABD 所成角的余弦值．1解： (1)证明：取 BD 的中点F ，连接 EF ，AF ，则AF ＝1，EF ＝2，∠AFE ＝60°. 3. 2.同理可得，平面 B 1BC 1 的一个法向量为 m ＝(3,4,0)．所以 cos 〈 n ， m 〉 ＝n ·m＝16. ＝|n||m|＝25.169 λ＝25.由余弦定理知 AE ＝21 2－2×1×12cos 60∵AE2＋EF2＝AF2，∴AE⊥EF.∵AB＝AD，F 为BD 中点．∴BD⊥AF. 又BD＝2，DC＝1，BC＝5，∴BD2＋DC2＝BC2，即BD⊥CD.又E为BC中点，EF∥CD，∴BD⊥EF.又EF∩AF＝F，∴BD⊥平面AEF.又BD⊥ AE，∵BD∩ EF＝F，∴AE⊥平面BDC.(2)以E 为原点建立如图所示的空间直角坐标系，则 A 0，0，23，11C －1，2，0 ，B 1，－2，0 ，D －1，－21，0 ，uuurDB ＝(2,0,0)，uuur uuurDA ＝1，AC ＝－1，12，设平面ABD 的法向量为n＝(x，y，z)，uuurn·DB ＝0 由uuurn·DA ＝02x＝0，得13x＋2y＋2 z＝0，取z＝ 3 ，则y＝－3，又∵n＝(0，－3，3)．uuuruuur n·AC 6∴cos〈n ，AC 〉＝uuur＝－.|n||AC | 4故直线AC 与平面ABD 所成角的余弦值为410.4．如图所示，在矩形ABCD 中，AB＝3 5，AD＝6，B D 是对角线，过点A 作AE⊥BD，垂足为O，交CD于E，以AE为折痕将△ ADE向上折起，使点D到点P的位置，且PB＝41.(1)求证：PO⊥平面ABCE；(2)求二面角 E-AP-B 的余弦值．解： (1)证明：由已知得 AB ＝3 5，AD ＝6，∴BD ＝9. 在矩形 ABCD 中，∵AE ⊥BD ，DO AD∴Rt △AOD ∽Rt △BAD ，∴AD ＝ BD ，∴DO ＝ 4，∴BO ＝ 5. 在△POB 中，PB ＝ 41，PO ＝4，BO ＝5，∴PO 2＋BO 2＝PB 2， ∴PO ⊥OB.又 PO ⊥AE ，AE ∩OB ＝O ，∴PO ⊥平面 ABCE.(2)∵BO ＝5，∴AO ＝ AB 2－ OB 2＝2 5.以 O 为原点，建立如图所示的空间直角坐标系，则 P(0,0,4)，A(2 5，0,0)， B(0,5,0)， uuuruuurPA ＝(2 5， 0，－ 4)， PB ＝(0,5，－ 4)．取 x ＝2 5得 n 1＝(2 5，4,5)．又 n 2＝(0,1,0)为平面 AEP 的一个法向量， n 〉＝ n 1·n 2 4 4 61n2〉＝|n 1| |·n 2|＝ 61×1＝ 61 ，5.如图，在四棱锥 P-ABCD 中，侧面 PAD ⊥底面 ABCD ，侧棱 PA ＝PD ＝ 2，PA ⊥ PD ，底面 ABCD 为直角梯形，其中 BC ∥AD ，AB ⊥AD ，AB ＝BC ＝1，O 为 AD 中点．(1)求直线 PB 与平面 POC 所成角的余弦值； (2)求 B 点到平面 PCD 的距离；(3) 线段 PD 上是否存在一点 Q ，使得二面角 Q-AC-D 的余弦值为 36？若存在，求出 Q PQ D 的值； 若不存在，请说明理由．解： (1)在△PAD 中，PA ＝PD ，O 为 AD 中点，所以 PO ⊥AD.又侧面 PAD ⊥底面 ABCD ，平面 PAD ∩平面 ABCD ＝ AD ，PO? 平面 PAD ，所以 PO ⊥平面 ABCD.又在直角梯形 ABCD 中，连接 OC ，易得 OC ⊥AD ，所以以 O 为坐标原点， OC ，OD ，OP 所在直线分别为 x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系， 则 P(0,0,1)，A(0，－1,0)，B(1，－1,0)，C(1,0,0)，设 n 1＝(x ，y ，z)为平面 APB 的法向量．则 uuurn 1·PA ＝0，uuurn 1·PB ＝ 0，2 5x － 4z ＝0， 即 5y －4z ＝0. ∴cos 〈n 1，故二面角 E-AP-B 的余弦值为 4 6161D(0,1,0)，uuur∴PB ＝(1，－1， uuur－ 1），易证 OA ⊥平面 POC ，∴OA ＝（0，－ 1,0）是平面 POC 的法向量， uuur uuur cos〈 PB ，OA 〉 uuur uuur Puu B ur ·O uu A ur ＝ 33. ∴直线PB 与平面 POC 所成角的余弦值为 36. | PB ||OA | 3 3uuuruuur （2） PD ＝（0,1，－ 1）， CP ＝（－1,0,1）．设平面 PDC 的一个法向量为 u ＝（x ，y ，z ）， uuur CP ＝－ x ＋ z＝0，uuurPD ＝y －z ＝0，取 z ＝1，得 u ＝ （1,1,1）．∴B 点到平面 PCD 的距离为 d ＝ （3）假设存在一点 Q ，则设 uuur PQ ＝ uuur uuur λPD (0<λ<1)．∵PD ＝(0,1，－1)，uuur uuur ∴PQ ＝（0，λ，－ λ）＝ OQ －OP ，∴OQ ＝（0，λ，1－λ），∴Q（0，λ，1－λ）． uuu r uuu r uuur设平面 CAQ 的一个法向量为 m ＝（x ，y ，z ），又 AC ＝（1,1,0），AQ ＝（0，λ＋1,1－λ） uuur m ·AC ＝x ＋y ＝ 0，则 uuur 取 z ＝ λ＋ 1，得 m ＝ （1－ λ， λ－1， λ＋ 1）， m ·AQ ＝ λ＋1 y ＋ 1－ λz ＝0. 又平面 CAD 的一个法向量为 n ＝（0,0,1），二面角 Q-AC-D 的余弦值为 36， 所以 |cos 〈m ， n 〉 |＝||m m ||n n ||＝ 36，得 3λ2－10λ＋3＝0，解得 λ＝13或λ＝3（舍）， PQ 1 所以存在点 Q ，且 QD ＝2. 6．如图，在四棱锥 S-ABCD 中，底面 ABCD 是直角梯形，侧棱 SA ⊥底面 ABCD ， AB 垂直于 AD 和 BC ，SA ＝AB ＝BC ＝2，AD ＝1.M 是棱 SB 的中点． （1）求证： AM ∥平面 SCD ； （2）求平面 SCD 与平面 SAB 所成二面角的余弦值； （3）设点 N 是直线 CD 上的动点， MN 与平面 SAB 所成的角为 θ，求 sin θ的最大值．解：（1）以点 A 为原点建立如图所示的空间直角坐标系， 则A(0,0,0)，B(0,2,0)，C(2,2,0)，D(1,0,0)，uuuur uuur S(0,0,2)，M(0,1,1)．所以 AM ＝(0,1,1)， SD ＝ (1,0，uuur －2）， CD＝（－1，－2,0）．设平面 SCD 的法向量是 n ＝（x ，y ，z ），uuurSD ·n ＝0， 则 uuurCD ·n ＝0， x －2z ＝ 0， 即 令 z ＝ 1，则 x ＝2，y ＝－ 1， －x －2y ＝0. uuuur uuuur于是 n ＝(2，－1,1)．∵AM ·n ＝0，∴AM ⊥n.又AM?平面 SCD ，∴AM∥平面SCD.(2)易知平面SAB的一个法向量为n1＝(1,0,0)．设平面SCD 与平面SAB所成的n1·n 1，0，0 ·2，－1，1 2 6 6 则|cos φ|＝|n1| ·|n| ＝1·6＝1·6＝3 ，即cos φ＝3 .∴平面SCD 与平面SAB所成二面角的余弦值为36.uuuur(3) 设N(x,2x－2,0)(x∈[1,2]) ，则MN ＝(x,2x－3，－1)．又平面SAB 的一个法向量为n1＝(1,0,0)，7、如图，四边形ABEF 和四边形ABCD 均是直角梯形，∠ FAB＝∠ DAB＝90°，AF＝AB＝BC＝2，AD＝1，FA⊥CD.(1)证明：在平面BCE上，一定存在过点C的直线l与直线DF平行；(2)求二面角F-CD-A 的余弦值．解：(1)证明：由已知得，BE∥AF，BC∥AD，BE∩BC＝B，AD∩AF＝A，∴平面BCE∥平面ADF. 设平面DFC∩平面BCE＝l，则l过点 C.∵平面BCE∥平面ADF，平面DFC∩平面BCE＝l，平面DFC ∩平面ADF ＝DF.∴DF∥l，即在平面BCE上一定存在过点C的直线l，使得DF∥l.(2)∵FA⊥AB，FA⊥CD，AB与CD 相交，∴FA⊥平面ABCD.故以A为原点，AD，AB，AF分别为x轴，y轴，z轴建立空间直角坐标系，如图．由已知uuur uuur 得，D(1,0,0)，C(2,2,0)，F(0,0,2)，∴DF ＝(－1,0,2)，DC ＝(1,2,0)．设平面DFC 的一个法向量为n ＝(x，y，z)，面角为φ，∴sin θ＝x，2x－3，－1 ·1，0，x2＋2x－3 2＋－ 1 2·1x－12x＋101·x357)max＝110 x1 2－12 x1＋5则 n ＝（2，－1,1），不妨设平面 ABCD 的一个法向量为 m ＝（0,0,1）．m ·n 1 6∴cos 〈m ， n 〉＝|m||n|＝ 6＝ 6，由于二面角 F-CD-A 为锐角，∴二面角 F-CD-A 的余弦值为 66.8、.如图，在四棱锥 P-ABCD 中，PD ⊥平面 ABCD ，四边形 ABCD 是菱形，AC ＝2，BD ＝2 3， E 是 PB 上任意一点． （1）求证： AC ⊥DE ；（2）已知二面角 A-PB-D 的余弦值为 515，若E 为PB 的中点，求EC 与平面 PAB 所成角的正弦值． 解： （1）证明：∵PD ⊥平面 ABCD ，AC? 平面 ABCD ，∴PD ⊥AC ， ∵四边形 ABCD 是菱形，∴BD ⊥AC ，又 BD ∩PD ＝D ，∴AC ⊥平面 PBD ，平面 PBD ，∴AC ⊥DE.（2）在△PDB 中，EO ∥PD ，∴EO ⊥平面 ABCD ，分别以 OA ，OB ，OE 所在直线为 x 轴，y 轴， z 轴建立空间直角坐标系，设 PD ＝t ，则 A （1,0,0），B （0， 3，0），C（－1,0,0），E 0，0，2t ，P （0， uuur uuur－ 3，t ）， AB ＝ （－1， 3，0）， AP ＝（－1，－ 3，t ）．由（1）知，平面 PBD 的一个法向量为 n 1＝（1,0,0），设平面 PAB 的法向量为 n 2＝（x ，y ，z ），则设 EC 与平面 PAB 所成的角为 θ，∵EC ＝（－1,0，－ 3）， n 2＝（ 3，1,1），15面角 A-PB-D 的余弦值为 5 ，则 |cos 〈n 1，n ·DF ＝0， 则 uuur n ·DC＝0x ＝2z ，不妨设 z ＝1.x ＝－2y ， 312＝ 515，解得 t ＝2 3或 t ＝－ 2 3（舍去）， 4＋ 2m ·n uuur n 2·AB ＝令 y ＝ 1，得 n 2＝ 3，1，2 3根据 uuurn 2·AP ＝则sin θ＝|cos〈EC ，n2〉＝，∴EC 与平面PAB 所成角的正弦值为2× 5 5 519、如图 1，A ，D 分别是矩形 A 1BCD 1上的点， AB ＝2AA 1＝2AD ＝2，DC ＝2DD 1，把四边形 A 1ADD 1沿 AD 折叠，使其与平面 ABCD 垂直，如图 2所示，连接 A 1B ，D 1C 得几何体 ABA 1-DCD 1.(1)当点 E 在棱 AB 上移动时，证明： D 1E ⊥A 1D ；π(2)在棱 AB 上是否存在点 E ，使二面角 D 1-EC-D 的平面角为 6？若存在，求出 AE 的长；若不存在，请说明理由．解： (1)证明，如图，以点 D 为坐标原点， DA ，DC ，DD 1所在直线为x 轴，y 轴， z 轴建立空间直角坐标系 D-xyz ，则 D(0,0,0)，A(1,0,0)， C(0,2,0)，A 1(1,0,1)，D 1(0,0,1)．设 E(1，t,0)，uuuur uuuur uuuur A 1D ＝（－ 1,0，－ 1），∴D 1 E ·A 1D ＝1×（－1）＋t ×0＋（－1）×（－1）＝0，∴D 1E ⊥A 1D. uuur(2)假设存在符合条件的点 E.设平面 D 1EC 的法向量为 n ＝(x ，y ，z)，由(1)知EC ＝(－1,2－t,0)，uuurn ·EC ＝0，－ x ＋ 2－t y ＝ 0， 1 1则 uuuur 得令 y ＝21，则 x ＝1－ 21t ，z ＝1，n ·D 1E ＝ 0x ＋ty －z ＝0， 2 2uuuur 显然平面 ECD 的一个法向量为 DD 1 ＝（0,0,1）， uuuur|n ·DD 1 | ＝uuuur ＝|n||DD 1 |uuuur则D 1E ＝（1， t ，－ 11 n ＝ 1－2t ，2，1是平面 D 1EC 的一个法向量，uuuur则 cos 〈n ， π31 1＝cos 6，解得 t ＝ 2－ 3 （0≤t ≤2）． 1－21t2＋41＋1故存在点E，当AE＝2－π面角D1-EC-D 的平面角为6.1。