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2009屆高考數學壓軸題預測

專題五  立體幾何

 

1.       如圖, 在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=3,BC=4,AA1=4,點D是AB的中點,  (I)求證:AC⊥BC1;  (II)求證:AC 1//平面CDB1;

解析:(1)證明線線垂直方法有兩類:一是通過三垂線定理或逆定理證明,二是通過線面垂直來證明線線垂直;(2)證明線面平行也有兩類:一是通過線線平行得到線面平行,二是通過面面平行得到線面平行.

答案:解法一:(I)直三棱柱ABC-A1B1C1,底面三邊長AC=3,BC=4AB=5,

∴ AC⊥BC,且BC1在平面ABC內的射影為BC,∴ AC⊥BC1

(II)設CB1與C1B的交點為E,連結DE,∵ D是AB的中點,E是BC1的中點,

∴ DE//AC1∵ DE平面CDB1,AC1平面CDB1,

∴ AC1//平面CDB1

解法二:∵直三棱柱ABC-A1B1C1底面三邊長AC=3,BC=4,AB=5,∴AC、BC、C1C兩兩垂直,如圖,以C為坐標原點,直線CA、CB、C1C分別為x軸、y軸、z軸,建立空間直角坐標系,則C(0,0,0),A(3,0,0),C1(0,0,4),B(0,4,0),B1(0,4,4),D(,2,0)

(1)∵=(-3,0,0),=(0,-4,0),∴=0,∴AC⊥BC1.

(2)設CB1與C1B的交戰為E,則E(0,2,2).∵=(-,0,2),=(-3,0,4),∴,∴DE∥AC1.

點評:2.平行問題的轉化:

      轉化

      轉化

      面面平行線面平行線線平行;

      主要依據是有關的定義及判定定理和性質定理.?

      2.       如圖所示,四棱錐P―ABCD中,ABAD,CDAD,PA底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M為PC的中點。

      (1)求證:BM∥平面PAD;

      (2)在側面PAD內找一點N,使MN平面PBD;

      (3)求直線PC與平面PBD所成角的正弦。

      解析:本小題考查直線與平面平行,直線與平面垂直,

      二面角等基礎知識,考查空間想象能力和推理論證能力.

      答案:(1)的中點,取PD的中點,則

      ,又

      四邊形為平行四邊形

      ,

           (4分)

       (2)以為原點,以、、 所在直線為軸、軸、軸建立空間直角坐標系,如圖,則,,,,

      在平面內設,  由        

              

      的中點,此時           (8分)

       (3)設直線與平面所成的角為

      ,,設

         

      故直線與平面所成角的正弦為                (12分)

      解法二:

       (1)的中點,取PD的中點,則

      ,又

      四邊形為平行四邊形

      ,

           (4分)

       (2)由(1)知為平行四邊形

      ,又

          同理,

          為矩形    ,又

              

          作

      ,在矩形內,,

      ,    的中點

      當點的中點時,                  (8分)

       (3)由(2)知為點到平面的距離,為直線與平面所成的角,設為,

      直線與平面所成的角的正弦值為    

      點評:(1)證明線面平行只需證明直線與平面內一條直線平行即可;(2)求斜線與平面所成的角只需在斜線上找一點作已知平面的垂線,斜線和射影所成的角,即為所求角;(3)證明線面垂直只需證此直線與平面內兩條相交直線垂直變可.這些從證法中都能十分明顯地體現出來

      3.       如圖,四棱錐中,側面是邊長為2的正三角形,且與底面垂直,底面的菱形,的中點.

      (Ⅰ)求與底面所成角的大小;

      (Ⅱ)求證:平面;

      (Ⅲ)求二面角的余弦值.

      解析:求線面角關鍵是作垂線,找射影,求異面直線所成的角采用平移法  求二面角的大小也可應用面積射影法,比較好的方法是向量法 

      答案:(I)取DC的中點O,由ΔPDC是正三角形,有PO⊥DC.

      又∵平面PDC⊥底面ABCD,∴PO⊥平面ABCD于O.

      連結OA,則OA是PA在底面上的射影.∴∠PAO就是PA與底面所成角.

      ∵∠ADC=60°,由已知ΔPCD和ΔACD是全等的正三角形,從而求得OA=OP=

      ∴∠PAO=45°.∴PA與底面ABCD可成角的大小為45°.               ……6分

      (II)由底面ABCD為菱形且∠ADC=60°,DC=2,DO=1,有OA⊥DC.

      建立空間直角坐標系如圖,則,

      由M為PB中點,∴

      ∴PA⊥DM,PA⊥DC.   ∴PA⊥平面DMC.                              ……4分

      (III).令平面BMC的法向量,

      ,從而x+z=0;  ……①,  ,從而. ……②

      由①、②,取x=−1,則.   ∴可取

      由(II)知平面CDM的法向量可取,

      . ∴所求二面角的余弦值為-.  ……6分

      法二:(Ⅰ)方法同上                              

      (Ⅱ)取的中點,連接,由(Ⅰ)知,在菱形中,由于,則,又,則,即,

      又在中,中位線,則,則四邊形,所以,在中,,則,故,

      (Ⅲ)由(Ⅱ)知,則為二面角的平面角,在中,易得,

      故,所求二面角的余弦值為

       

       點評:本題主要考查異面直線所成的角、線面角及二面角的一般求法,綜合性較強   用平移法求異面直線所成的角,利用三垂線定理求作二面角的平面角,是常用的方法.

      4.       如圖所示:邊長為2的正方形ABFC和高為2的直角梯形ADEF所在的平面互相垂直且DE=,ED//AF且∠DAF=90°。

      文本框:     (1)求BD和面BEF所成的角的余弦;

         (2)線段EF上是否存在點P使過P、A、C三點的平面和直線DB垂直,若存在,求EPPF的比值;若不存在,說明理由。

      <fieldset id="ao2sk"></fieldset>

      1,3,5

      答案:(1)因為AC、AD、AB兩兩垂直,建立如圖坐標系,

      則B(2,0,0),D(0,0,2),

      E(1,1,2),F(2,2,0),

      文本框:  設平面BEF的法向量

      ,則可取,

      ∴向量所成角的余弦為

      。

      即BD和面BEF所成的角的余弦。

         (2)假設線段EF上存在點P使過P、A、C三點的平面和直線DB垂直,不妨設EP與PF的比值為m,則P點坐標為

      則向量,向量

      所以。

       點評:本題考查了線線關系,線面關系及其相關計算,本題采用探索式、開放式設問方式,對學生靈活運用知識解題提出了較高要求。

      5.       已知正方形  、分別是的中點,將沿折起,如圖所示,記二面角的大小為 

      (I) 證明平面;

      (II)若為正三角形,試判斷點在平面內的射影是否在直線上,證明你的結論,并求角的余弦值 

      分析:充分發揮空間想像能力,重點抓住不變的位置和數量關系,借助模型圖形得出結論,并給出證明.

      解: (I)證明:EF分別為正方形ABCD得邊AB、CD的中點,

      EB//FD,且EB=FD,

      四邊形EBFD為平行四邊形 

      BF//ED.

      ,平面 

      (II)如右圖,點A在平面BCDE內的射影G在直線EF上,過點A作AG垂直于平面BCDE,垂足為G,連結GC,GD 

      ACD為正三角形,AC=AD.

      CG=GD.

      G在CD的垂直平分線上, 點A在平面BCDE內的射影G在直線EF上,

      過G作GH垂直于ED于H,連結AH,則,所以為二面角A-DE-C的平面角  即.

      設原正方體的邊長為2a,連結AF,在折后圖的AEF中,AF=,EF=2AE=2a,即AEF為直角三角形, .

       在RtADE中, .

      ,   

      點評:在平面圖形翻折成空間圖形的這類折疊問題中,一般來說,位于同一平面內的幾何元素相對位置和數量關系不變:位于兩個不同平面內的元素,位置和數量關系要發生變化,翻折問題常用的添輔助線的方法是作棱的垂線。關鍵要抓不變的量.

      6.       設棱錐M-ABCD的底面是正方形,且MA=MD,MA⊥AB,如果ΔAMD的面積為1,試求能夠放入這個棱錐的最大球的半徑.

      文本框:  分析:關鍵是找出球心所在的三角形,求出內切圓半徑.

      解: ∵AB⊥AD,AB⊥MA,

      ∴AB⊥平面MAD,

      由此,面MAD⊥面AC.

      記E是AD的中點,從而ME⊥AD.

      ∴ME⊥平面AC,ME⊥EF.

      設球O是與平面MAD、平面AC、平面MBC都相切的球.

      不妨設O∈平面MEF,于是O是ΔMEF的內心.

      設球O的半徑為r,則r=

      設AD=EF=a,∵SΔAMD=1.

      ∴ME=.MF=,

      r=-1。

      當且僅當a=,即a=時,等號成立.

      ∴當AD=ME=時,滿足條件的球最大半徑為-1.

      點評:涉及球與棱柱、棱錐的切接問題時一般過球心及多面體中的特殊點或線作截面,把空間問題化歸為平面問題,再利用平面幾何知識尋找幾何體中元素間的關系。注意多邊形內切圓半徑與面積和周長間的關系;多面體內切球半徑與體積和表面積間的關系。

       

       

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