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高三数学选修2-1第3章空间向量与立体几何专项练习（带答案）
空间向量与立体几何知识点是高中必考知识点之一，以下是第3章空间向量与立体几何专项练习，希望对大家有帮助。
一、填空题
1.判断下列各命题的真假：
①向量AB的长度与向量BA的长度相等;
②向量a与b平行，则a与b的方向相同或相反;
③两个有共同起点而且相等的向量，其终点必相同;
④两个有公共终点的向量，一定是共线向量;
⑤有向线段就是向量，向量就是有向线段.
其中假命题的个数为________.
2.已知向量AB，AC，BC满足|AB|=|AC|+|BC|，则下列叙述正确的是________.(写出所有正确的序号)
1。
选修2-1第三章《空间向量与立体几何》单元检测题本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分．满分150分．考试时间120分钟．第Ⅰ卷(选择题 共60分)一、选择题(本大题共12个小题，每小题5分，共60分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的)1．空间四个点O 、A 、B 、C ，OA →，OB →，OC →为空间的一个基底，则下列说法不正确的是( ) A ．O 、A 、B 、C 四点不共线 B ．O 、A 、B 、C 四点共面，但不共线 C ．O 、A 、B 、C 四点中任意三点不共线 D ．O 、A 、B 、C 四点不共面2．已知a ＋3b 与7a －5b 垂直，且a －4b 与7a －2b 垂直，则〈a ，b 〉等于( ) A ．30° B ．60° C ．90° D ．45°3．已知A (2，－5,1)，B (2，－2,4)，C (1，－4,1)，则向量AB →与AC →的夹角为( ) A ．30° B ．45° C ．60° D ．90°4．已知正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，点E 为上底面A 1C 1的中心，若AE →＝AA 1→＋xAB →＋yAD →，则x ，y 的值分别为( )A ．x ＝1，y ＝1B ．x ＝1，y ＝12C ．x ＝12，y ＝12D ．x ＝12，y ＝135．设E ，F 是正方体AC 1的棱AB 和D 1C 1的中点，在正方体的12条面对角线中，与截面A 1ECF 成60°角的对角线的数目是( )A ．0B ．2C ．4D ．66．已知点P 是平行四边形ABCD 所在的平面外一点，如果AB →＝(2，－1，－4)，AD →＝(4,2,0)，AP →＝(－1,2，－1)．对于结论：①AP ⊥AB ；②AP ⊥AD ；③AP →是平面ABCD 的法向量；④AP →∥ BD →.其中正确的个数是( )A ．1B ．2C ．3D ．47．已知a ＝(－3,2,5)，b ＝(1，x ，－1)且a·b ＝2，则x 的值是( ) A ．3 B ．4 C ．5 D ．68．设A 、B 、C 、D 是空间不共面的四点，且满足AB →·AC →＝0，AC →·AD →＝0，AB →·AD →＝0，则△BCD 是( ) A ．钝角三角形 B ．锐角三角形 C ．直角三角形 D ．不确定9．正三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，若∠BAC ＝90°，AB ＝AC ＝AA 1，则异面直线BA 1与AC 1所成的角等于( )A ．30°B ．45°C ．60°D ．90° 10．若向量a ＝(2,3，λ)，b ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－1，1，63的夹角为60°，则λ等于( ) A.2312 B.612 C.23612 D ．－2361211．已知OA →＝(1,2,3)，OB →＝(2,1,2)，OP →＝(1,1,2)，点Q 在直线OP 上运动，则当QA →·QB →取得最小值时，点Q 的坐标为( )A.⎝ ⎛⎭⎪⎫12，34，13B.⎝ ⎛⎭⎪⎫12，32，34C.⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，83D.⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，73 12．在正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，平面A 1BD 与平面C 1BD 所成二面角的余弦值为( ) A.12 B.32 C.13 D.33第Ⅱ卷(非选择题 共90分)二、填空题(本大题共4个小题，每小题5分，共20分，把正确答案填在题中横线上)13．若向量a ＝(1,1，x )，b ＝(1,2,1)，c ＝(1,1,1)，满足条件(c －a )·(2b )＝－2，则x ＝________. 14．若A ⎝⎛⎭⎪⎫0，2，198，B ⎝ ⎛⎭⎪⎫1，－1，58，C ⎝ ⎛⎭⎪⎫－2，1，58是平面α内的三点，设平面α的法向量a ＝(x ，y ，z )，则x ∶y ∶z ＝__________.15．平面α的法向量为m ＝(1,0，－1)，平面β的法向量为n ＝(0，－1,1)，则平面α与平面β所成二面角的大小为__________． 16.在直三棱柱ABC —A 1B 1C 1中，∠ABC ＝90°，AB ＝BC ＝AA 1＝2，点D 是A 1C 1的中点，则异面直线AD 和BC 1所成角的大小为________．三、解答题(本大题共6个小题，共70分，解答应写出文字说明，证明过程或演算步骤) 17．(本小题满分10分)如图，已知ABCD —A 1B 1C 1D 1是平行六面体．设M 是底面ABCD 的中心，N 是侧面BCC 1B 1对角线BC 1上的34分点，设MN →＝αAB →＋βAD →＋γAA 1→，试求α、β、γ的值．18.(本小题满分12分)如图，四棱锥S —ABCD 的底面是边长为2a 的菱形，且SA ＝SC ＝2a ，SB ＝SD ＝2a ，点E 是SC 上的点，且SE ＝λa (0<λ≤2)．(1)求证：对任意的λ∈(0,2]，都有BD ⊥AE ；(2)若SC ⊥平面BED ，求直线SA 与平面BED 所成角的大小．19.( 本小题满分12分)已知空间三点A (－2,0,2)，B (－1,1,2)，C (－3,0,4)，设a ＝AB →，b ＝AC →. (1)求a 和b 的夹角θ的余弦值；(2)若向量ka ＋b 与ka －2b 互相垂直，求k 的值．20．(本小题满分12分)如图所示，在三棱锥S —ABC 中，SO ⊥平面ABC ，侧面SAB 与SAC 均为等边三角形，∠BAC ＝90°，O 为BC 的中点，求二面角A —SC —B 的余弦值．21.(本小题满分12分)如图，在底面是矩形的四棱锥P—ABCD中，PA⊥平面ABCD，PA＝AB＝2，BC＝4，E是PD的中点．(1)求证：平面PDC⊥平面PAD；(2)求点B到平面PCD的距离．22．(本小题满分12分)如图，四棱锥S—ABCD的底面是正方形，每条侧棱的长都是底面边长的2倍，P为侧棱SD上的点．(1)求证： AC ⊥SD ；(2)若SD ⊥平面PAC ，求二面角P —AC —D 的大小；(3)在(2)的条件下，侧棱SC 上是否存在一点E ，使得BE ∥平面PAC .若存在，求SE ∶EC 的值；若不存在，试说明理由．选修2-1第三章《空间向量与立体几何》单元检测题参考答案【第1题解析】如果O 、A 、B 、C 四点共面，则OA ，OB ，OC 共面，则OA ，OB ，OC 不可能为空间的一个基底.故选B.【第4题解析】AE →＝AA 1→＋A 1E →＝AA 1→＋12(A 1B 1→＋A 1D 1→)＝AA 1→＋12AB →＋12AD →，由空间向量的基本定理知，x ＝y ＝12.故选C.【第5题解析】利用线面角的公式可以求得其中有BD ，11B D ，11,B A C D 四条直线对角线满足题意，由题得C 是正确答案，故选C.【第6题解析】∵AB →·AP →＝－2－2＋4＝0，∴AP ⊥AB ，①正确；∵AP →·AD →＝－4＋4＝0，∴AP ⊥AD ，②正确；由①②知AP →是平面ABCD 的法向量，∴③正确，④错误．故选C. 【第7题解析】32525x x -+-=∴=，故选C.【第8题解析】△BCD 中，BC →·BD →＝(AC →－AB →)·(AD →－AB →)＝AB →2>0.∴∠B 为锐角，同理，∠C ，∠D 均为锐角，∴△BCD 为锐角三角形．故选B. 【第9题解析】建系如图，设AB ＝1，则B (1,0,0)，A 1(0,0,1)，C 1(0,1,1)．∴BA 1→＝(－1,0,1)，A C 1→＝(0,1,1)∴cos 〈BA 1→，A C 1→〉＝＝12·2＝12.∴〈BA 1→，A C 1→〉＝60°，即异面直线BA 1与AC 1所成的角等于60°.故选C.【第11题解析】∵Q 在OP 上，∴可设Q (x ，x,2x )，则QA →＝(1－x ，2－x,3－2x )，QB →＝(2－x,1－x,2－2x )．∴QA →·QB →＝6x 2－16x ＋10，∴x ＝43时，QA →·QB →最小，这时Q ⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，83.故选C.【第12题解析】以点D 为原点，DA 、DC 、DD 1所在直线为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系，设正方体的棱长为1，则A 1C →＝(－1,1，－1)，A C 1→＝(－1,1,1)．可以证明A 1C ⊥平面BC 1D ，AC 1⊥平面A 1BD .又cos 〈A C 1→，A 1C →〉＝13，结合图形可知平面A 1BD 与平面C 1BD所成二面角的余弦值为13.故选C.【第13题解析】∵a ＝(1,1，x )，b ＝(1,2,1)，c ＝(1,1,1)，∴c －a ＝(0,0,1－x )，2b ＝(2,4,2)． ∴(c －a )·(2b )＝2(1－x )＝－2，∴x ＝2. 故填2.【第14题解析】AB →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫1，－3，－74，AC →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－2，－1，－74，由a ·AB →＝0，a ·AC →＝0，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝23y z ＝－43y ，x ∶y ∶z ＝23y ∶y ∶⎝ ⎛⎭⎪⎫－43y ＝2∶3∶(－4)．故填2∶3∶(－4)【第15题解析】∵cos 〈m ，n 〉＝m·n |m||n |＝－12·2＝－12，∴〈m ，n 〉＝120°，即平面α与β所成二面角的大小为60°或120°.故填60°或120°. 【第16题解析】建立如图所示坐标系，则AD →＝(－1,1，－2)， B C 1→＝(0,2，－2)， ∴cos 〈AD →，B C 1→〉＝622·6＝32，∴〈AD →，B C 1→〉＝π6.即异面直线AD 和BC 1所成角的大小为π6.故填π6.【第18题答案】（1）证明见解析；（2）SA 与平面BED 所成的角为π6.【第18题解析】(1)证明 连结BD ，AC ，设BD 与AC 交于O .由底面是菱形，得BD ⊥AC . ∵SB ＝SD ，O 为BD 中点， ∴BD ⊥SO . 又AC ∩SO ＝O ， ∴BD ⊥面SAC .又AE ⊂面SAC ，∴BD ⊥AE . (2)解 由(1)知BD ⊥SO ，同理可证AC ⊥SO ，∴SO ⊥平面ABCD .取AC 和BD 的交点O 为原点建立如图所示的坐标系，设SO ＝x ，则OA ＝4a 2－x 2，OB ＝2a 2－x 2. ∵OA ⊥OB ，AB ＝2a ，∴(4a 2－x 2)＋(2a 2－x 2)＝4a 2，解得x ＝a .∴OA ＝3a ，则A (3a,0,0)，C (－3a,0,0)，S (0,0，a )． ∵SC ⊥平面EBD ，∴SC →是平面EBD 的法向量． ∴SC →＝(－3a,0，－a )，SA →＝(3a,0，－a )． 设SA 与平面BED 所成角为α，则sin α＝||||||SC SA SC SA ⋅⋅＝|－3a 2＋a 2|3＋1a·3＋1a ＝12， 即SA 与平面BED 所成的角为π6.(2)ka ＋b ＝(k ，k,0)＋(－1,0,2)＝(k －1，k,2)，ka －2b ＝(k ，k,0)－(－2,0,4)＝(k ＋2，k ，－4)，∴ (k －1，k,2)·(k ＋2，k ，－4) ＝(k －1)(k ＋2)＋k 2－8＝0. 即2k 2＋k －10＝0，∴k ＝－52或k ＝2.【第20题答案】二面角A —SC —B 的余弦值为33. 【第20题解析】以O 为坐标原点，射线OB ，OA ，OS 分别为x 轴、y 轴、z 轴的正半轴，建立如图所示的空直角坐标系Oxyz .设B (1,0,0)，则C (－1,0,0)，A (0,1,0)，S (0,0,1)，SC 的中点M ⎝ ⎛⎭⎪⎫－12，0，12.【第21题答案】（1）证明见解析；（2）455. 【第21题解析】(1)证明 如图，以A 为原点，AD 、AB 、AP 所在的直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系，则依题意可知A (0,0,0)，B (0,2,0)，C (4,2,0)，D (4,0,0)，P (0,0,2)．∴PD →＝(4,0，－2)，CD →＝(0，－2,0)，PA →＝(0,0，－2)．设平面PDC 的一个法向量为n ＝(x ，y,1)，则⇒⎩⎪⎨⎪⎧ －2y ＝04x －2＝0⇒⎩⎪⎨⎪⎧ y ＝0x ＝12，所以平面PCD 的一个法向量为⎝ ⎛⎭⎪⎫12，0，1. ∵PA ⊥平面ABCD ，∴PA ⊥AB ，又∵AB ⊥AD ，PA ∩AD ＝A ，∴AB ⊥平面PAD .∴平面PAD 的法向量为AB →＝(0,2,0)．∵n ·AB →＝0，∴n ⊥AB →.∴平面PDC ⊥平面PAD .(2)由(1)知平面PCD 的一个单位法向量为n |n|＝⎝ ⎛⎭⎪⎫55，0，255. ∴＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪ 4，0，0 ·⎝ ⎛⎭⎪⎫55，0，255＝455，∴点B 到平面PCD 的距离为455.于是S (0,0，62a )，D ⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，0，0，C ⎝ ⎛⎭⎪⎫0，22a ，0，B ⎝ ⎛⎭⎪⎫22a ，0，0， OC →＝⎝⎛⎭⎪⎫0，22a ，0， SD →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，0，－62a ，∴OC →·SD →＝0.∴OC ⊥SD ，即AC ⊥SD .(2)由题意知，平面PAC 的一个法向量DS →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫22a ，0，62a ，平面DAC 的一个法向量 OS →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫0，0，62a ， 设所求二面角为θ，则cos θ＝＝32， 故所求二面角P —AC —D 的大小为30°.。
高二数学空间向量测试题第Ⅰ卷一选择题 ( 每道题的四个选择答案中有且只有一个答案是正确的)1、在下列命题中：①若向量 a、b 共线，则 a、b 所在的直线平行；②若向量 a、b 所在的直线是异面直线，则a、b 一定不共面；③若 a、 b、 c 三向量两两共面，则 a、 b、c 三向量一定也共面；④已知三向量 a、 b、 c，则空间任意一个向量p 总可以唯一表示为p＝x a＋y b＋z c．其中正确命题的个数为（）A .0 B. 1 C. 2 D. 32、空间四边形 ABCD 中， AB a , BC b, AD c, 则CD ( )A．a b c B. a b c C． a b c D ． a b c3、已知平行四边形ABCD 中， A( 4，1， 3) 、B ( 2，－ 5， 1) 、 C( 3， 7，－ 5) ，则顶点 D 的坐标为 ( )7,4, 1) B．( 2， 3， 1) C．( － 3， 1，5) D ．( 5， 13，－ 3) A．(24、a＝ (－ 1，－ 5，－ 2)，b＝( x,2, x 2 )，若a b ，则x＝( )A． 0 B．14C．－ 6 D．±6 35、设a＝( m , 1,2 )，b＝ ( 3, 4, n )，若 a // b ，则m，n的值分别为( )3， 8 B．3 3D ．3A．，— 8 C．，8 ，－ 84 4 4 46、已知向量a (0， 2， 1)，b (－ 1， 1，－ 2) ，则a 与 b 的夹角为( )A． 0°B．45°C．90° D ．180°7、若斜线段 AB 是它在平面内的射影长的2倍，则 AB与所成的角为 ( )A． 60°B．45°C．30° D ．120°8、已知a＝（ 2，－ 1， 3），b＝（－ 1， 4，－ 2），c＝（ 7， 5，λ），若a、b、c三向量共面，则实数λ等于（）A．62B. 6 3C. 6 4D. 657 7 7 79、在正三角形ABC 中， AD⊥ BC 于 D，沿 AD 折成二面角B－ AD －C 后，BC1AB ，这时2 二面角 B－ AD－ C 的大小为 ( )A． 60°B． 45°C． 90°D． 120°10、矩形 ABCD 中， AB ＝ 1， BC 2 ，PA⊥平面 ABCD ，PA＝ 1，则 PC 与平面 ABCD 所成的角是( )A． 30°B． 45°C． 60°D． 90°11、设 A、 B、 C、D 是空间不共面的四点，且满足AB AC 0, AB AD 0, AC AD 0则△ BCD 是（）A ．钝角三角形 B. 直角三角形 C. 锐角三角形 D. 不确定12、PA、 PB、 PC 是从 P 点引出的三条射线，每两条的夹角为60°，则直线 PC 与平面 APB 所成角的余弦值为 ( )1 6C．3 3A．B．3D．2 3 2第Ⅱ卷二、填空题13、已知向量 a ＝(4，－2，－4)， b ＝(6，－3，2)，则 a 在 b 方向上的投影是______．14、已知 AB(1,0 ,2 ), AC( 2,1,1) ，则平面ABC 的一个法向量为____________．15、∠ BOC 在平面内，OA是平面的一条斜线，若∠AOB ＝∠ AOC ＝ 60°， OA＝ OB＝ OC＝ a， BC＝ 2 a，则 OA 与平面所成的角是______．- 1 -16、下列命题中： ( 1) a b 0 则 a ＝0或 b ＝0；( 2) (a b ) c a2 2(b c ); (3 )| p | | q |( p q) 2；( 4) 若a与 (a b ) c (a c) b 均不为0，则它们必垂直．其中真命题的序号是______．三、解答题17、如图，在平行六面体ABCD－ A1B1 C1D 1中， AB a , AD b, AA1c,2 AM MC ,A1 N 2 ND ，试用基底{ a , b , c}表示MN .18、如图，底面ABCD 为矩形，侧棱PA⊥底面 ABCD ，AB 3 ，BC＝1，PA＝2，求直线AC 与 PB 所成角的余弦值．19、一条线段夹在一个直二面角的两个面内，它和两个面所成的角都是30°，求这条线段与这个二面角的棱所成的角。
这时Q ⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，83.答案：C二、填空题：本大题共4小题，每小题5分，共20分．13．若A (x,5－x,2x －1)，B (1，x ＋2,2－x )，则当|AB →|取最小值时，x 的值等于________．解析：AB →＝(1－x,2x －3，－3x ＋3)，则 |AB →|＝1－x2＋2x －32＋－3x ＋32＝14x 2－32x ＋19＝14⎝⎛⎭⎪⎫x －872＋57，故当x ＝87时，|AB →|取最小值．答案：8714．正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，直线BC 1与平面A 1BD 夹角的正弦值是________． 解析：如图，以DA 、DC 、DD 1分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系，设正方体的棱长为1，则A (1,0,0)，B (1,1,0)，C 1(0,1,1)， 易证AC 1→是平面A 1BD 的一个法向量．AC 1→＝(－1,1,1)，BC 1→＝(－1,0,1)． cos 〈AC 1→，BC 1→〉＝1＋13×2＝63. 所以BC 1与平面A 1BD 夹角的正弦值为63.答案：63设AC ∩BD ＝N ，连结NE ，则N ⎝ ⎛⎭⎪⎫22，22，0，E (0,0,1)， ∴NE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－22，－22，1. 又A (2，2，0)，M ⎝ ⎛⎭⎪⎫22，22，1， ∴AM →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－22，－22，1. ∴NE →＝AM →，且NE 与AM 不共线．∴NE ∥AM .又NE ⊂平面BED ，AM ⊄平面BDE ，∴AM ∥平面BDE .(2)设P (t ，t,0)(0≤t ≤2)，则PF →＝(2－t ，2－t,1)，CD →＝(2，0,0)．又∵PF →与CD →所成的角为60°，|2－t ·2|2－t2＋2－t 2＋1·2＝12， 解之得t ＝22，或t ＝322(舍去)． 故点P 为AC 的中点．22．(本小题满分12分)如图，在圆锥PO 中，已知PO ＝2，⊙O 的直径AB ＝2，C 是AB 的中点，D 为AC 的中点．。
第三章 空间向量与立体几何空间向量的数乘运算 测试题姓名：_________班级：________ 得分：_______ 1. 下列命题中不正确的命题个数是( )①若A 、B 、C 、D 是空间任意四点，则有AB +BC + CD +DA =0；②对空间任意点O 与不共线的三点A 、B 、C ，若OP =x OA +y OB +z OC （其中x 、y 、z ∈R ），则P 、A 、B 、C 四点共面；③若a 、b 共线，则a 与b 所在直线平行。
A .1B .2C .3D .42.设OABC 是四面体，G 1是△ABC 的重心，G 是OG 1上一点，且OG =3GG 1，若OG =x OA +y OB +z OC ，则（x ，y ，z ）为( )A .（41，41，41） B .（43，43，43） C .（31，31，31） D .（32，32，32） 3．在平行六面体ABCD －EFGH 中，AG xAC y AF z AH =++，________.x y z ++=则4.已知四边形ABCD 中，AB =a －2c ，CD =5a +6b －8c ，对角线AC 、BD 的中点分别为E 、F ，则EF =_____________.5.已知矩形ABCD ，P 为平面ABCD 外一点，且P A ⊥平面ABCD ，M 、N 分别为PC 、PD 上的点，且M 分PC 成定比2，N 分PD 成定比1，求满足MN xAB y AD z AP =++的实数x 、y 、z 的值.§3.1.3空间向量的数量积运算1.已知正四棱柱1111ABCD A B C D -中，1AA =2AB ，E 为1AA 重点，则异面直线BE 与1CD 所形成角的余弦值为( ) A .1010 B . 15 C .31010 D . 352．如图，设A ，B ，C ，D 是空间不共面的四点，且满足0AB AC ⋅=，0AC AD ⋅=，0AB AD ⋅=，则△BCD 的形状是( )A ．钝角三角形B ．锐角三角形C ．直角三角形D ．不确定的_ C _ D _ A _ P_ N _ B_ M3．已知ABCD －A 1B 1C 1D 1 为正方体，则下列命题中错误的命题为__________．;221111111①(A A+A D +A B )=3(A B )()0;C ⋅-=1111②A A B A A 60;︒11向量与向量的夹角为AD A B ③ ⋅⋅11111立方体ABCD-A B C D 的体积为|AB AA AD |;④4．如图，已知：平行六面体ABCD －A 1B 1C 1D 1的底面ABCD 是菱形，且∠C 1CB =∠C 1CD =∠BCD =60° （1）证明：C 1C ⊥BD ； （2）当1CDCC 的值为多少时，能使A 1C ⊥平面C 1BD ？请给出证明． §3.1.4空间向量的正交分解及其坐标表示§3.1.5空间向量运算的坐标表示1．已知向量(2，2，3)OA =-，(，1，4)OB x y z =-，且平行四边形OACB 的对角线的中点坐标为M 31(0，，)22-，则(，，)x y z =( ) A ．(2，4，1)--- B ．(2，4，1)-- C ．(2，4，1)-- D ．(2，4，1)--2．已知(2，2，4)a =-，(1，1，2)b =-，(6，6，12)c =--，则向量、、a b c ( ) A ．可构成直角三角形 B ．可构成锐角三角形 C ．可构成钝角三角形 D ．不能构成三角形3．若两点的坐标是A （3cosα，3sinα，1），B （2cosθ，2sinθ，1），则|AB |的取值范围是( )A ．[0，5]B ．[1，5]C ．（1，5）D ．[1，25] 4.设点C （2a +1，a +1，2）在点P （2，0，0）、A （1，－3，2）、B （8，－1，4）确定的平面上，则a 的值为 . 5.如图，正三棱柱ABC -A 1B 1C 1的底边长为a ，侧棱长为2a .建立适当的坐标系，⑴写出A ，B ，A 1，B 1的坐标；⑵求AC 1与侧面ABB 1A 1所成的角.3.2立体几何中的向量方法1．到一定点（1，0，1）的距离小于或等于2的点的集合为( ) A ．222{(,,)|(1)(1)4}x y z x y z -++-≤ B ．222{(,,)|(1)(1)4}x y z x y z -++-= C ．222{(,,)|(1)(1)2}x y z x y z -++-≤ D ．222{(,,)|(1)(1)2}x y z x y z -++-=C 1 B 1 A 1B A2. 正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，直线BC 1与平面A 1BD 所成角的余弦值为( ) A ．42 B ．32 C ．33 D ．23 3. 已知斜三棱柱111ABC A B C -，90BCA ∠=，2AC BC ==，1A 在底面ABC 上的射影恰为AC 的中点D ，又知11BA AC ⊥.（1）求证：1AC ⊥平面1A BC ； （2）求1C 到平面1A AB 的距离； （3）求二面角1A A B C --余弦值的大小.B 4. 如图，在直三棱柱111ABC A B C -中， AB =1，13AC AA ==，∠ABC =60°. (1)证明：1AB A C ⊥；（2）求二面角A —1A C —B 的大小.5. 如右图，四棱锥S-ABCD 的底面是正方形，每条侧棱的长都是底面边长的2倍，P 为侧棱S D 上的点. （1）求证：AC ⊥SD ；（2）若SD ⊥平面P AC ，求二面角P-AC-D 的大小 （3）在（2）的条件下，侧棱S C 上是否存在一点E ， 使得BE ∥平面P AC .若存在，求S E ：EC 的值； 若不存在，试说明理由.参考答案第三章 空间向量与立体几何3.1空间向量及其运算§3.1.1空间向量及其加减运算§3.1.2空间向量的数乘运算1.A2.A3.324.3a +3b －5c5.如图所示，取PC 的中点E ，连结NE ，则MN EN EM =-.∵1122EN CD BA ===12AB -，CBA C 1B 1 A1 D 1C 1B 1A 1DABC_ C_ D_ A_S_ F_ B_ P_ N_ EEN PM PE =-=211326PC PC PC -=，连结AC ，则PC AC AP AB AD AP =-=+- ∴11()26MN AB AB AD AP =--+-=211366AB AD AP --+，∴211,,366x y z =-=-=.§3.1.3空间向量的数量积运算1.C2.B3. ③④4.（1）设1,,CB a CD b CC c === ，则||||a b =，BD CD CB b a =-=- ，所以1()||||cos 60||||cos 600CC b a c b c a c b c a c ⋅=-⋅=⋅-⋅=︒-︒=BD ，11BD CC BD CC ∴⊥⊥即 ；（2）1,2,CD x CD CC ==1设则 2CC =x， 111,BD AA C C BD A C ⊥∴⊥ 面 ，11:0x AC CD ∴⋅= 只须求满足， 设1,,A A a AD b DC c ===，11,A C a b c C D a c =++=-，2211242()()6A C C D a b c a c a a b b c c xx ∴⋅=++⋅-=+⋅-⋅-=+-， 令24260x x+-=，则2320x x --=，解得1x =，或23x =-（舍去），111,.A C C BD ∴=⊥1CD时能使平面CC §3.1.4空间向量的正交分解及其坐标表示§3.1.5空间向量运算的坐标表示1.A2.D3.B4.165. （1）建系如图，则A （0，0，0） B （0，a ，0）A 1（0，0，2a )，C 1（-23a ，a 2,2a) (2)解法一：在所建的坐标系中，取A 1B 1的中点M ， 于是M （0，a 2,2a），连结AM ，MC 1 则有1(,0,0)2MC =-(0,,0)AB a=，1)AA =， ∴10MC AB ⋅=，110MC AA ⋅=，所以，MC 1⊥平面ABB 1A 1.因此，AC 1与AM 所成的角就是AC 1与侧面ABB 1A 1所成的角.1(,)2a AC =-，(0,)2aAM =，A∴2194a AC AM ⋅=，而|13||3,||2AC a AM a ==，由cos<1,AC AM >=1132||||AC AM AC AM ⋅=，∴ <1,AC AM >=30°.∴AC 1与侧面ABB 1A 1所成的角为30°.3.2立体几何中的向量方法1.A2.C3.（1）如右图，取AB 的中点E ，则//DE BC ，因为BC AC ⊥， 所以DE AC ⊥，又1A D ⊥平面ABC ， 以1,,DE DC DA 为,,x y z 轴建立空间坐标系， 则()0,1,0A -，()0,1,0C ，()2,1,0B ，()10,0,A t ，()10,2,C t ，()10,3,AC t =，()12,1,BA t =--，()2,0,0CB =，由10AC CB ⋅=，知1A C CB ⊥， 又11BA AC ⊥，从而1AC ⊥平面1A BC .（2）由1AC ⋅2130BA t =-+=，得3t = 设平面1A AB 的法向量为(),,n x y z =，(13AA =，()2,2,0AB =，所以130220n AA y z n AB x y ⎧⋅=+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩，设1z =，则()3,3,1n =-， 所以点1C 到平面1A AB 的距离1AC n d n⋅==221. （3）再设平面1A BC 的法向量为(),,m x y z =，(10,3CA =-，()2,0,0CB =， 所以13020m CA y z m CB x ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅==⎪⎩，设1z =，则()0,3,1m =， 故cos ,m n m n m n⋅<>==⋅77-，根据法向量的方向， 可知二面角1A A B C --7. 4.（1）三棱柱111ABC A B C -为直三棱柱，11AB AA AC AA ∴⊥⊥，，Rt ABC ∆，1,3,60AB AC ABC ==∠=︒，由正弦定理030ACB ∠=.090BAC ∴∠=AB AC ⊥即 .如右图，建立空间直角坐标系，则 1(0,0,0),(1,0,0)(0,3,0),(0,0,3)A B C A1(1,0,0),(0,3,3)AB AC ∴==， 110030(3)0AB AC ⋅=⨯+⨯+⨯-=， 1AB A C ∴⊥.(2) 如图可取(1,0,0)m AB ==为平面1AA C 的法向量， 设平面1A BC 的法向量为(,,)n l m n =， 则10,0,130BC n AC n BC ⋅=⋅==-又（，，）， 303,330l m l m n m m n ⎧-+=⎪∴∴==⎨-=⎪⎩. 不妨取1,(3,1,1)m n ==则，22222231101015cos ,5(3)11100m n m n m n ⋅⨯+⨯+⨯<>===⋅++⋅++.1A AC BD ∴--15二面角的大小为arccos 5. 5. （1）连结BD ，设AC 交于BD 于O ，由题意知SO ABCD ⊥平面.以O 为坐标原点，OB OC OS ，，分别为x 轴、y 轴、z 轴正方向，建立坐标系O xyz -如右图.设底面边长为a ，则高62SO a =.于是 62(0,0,),(,0,0)22S a D a -，2(0,,0)2C a ，2(0,,0)2OC a =，26(,0,)2SD a =-，0OC SD ⋅= ，故OC SD ⊥.从而 AC SD ⊥. _ C_ A_S_ F_ BO(2)由题设知，平面PAC 的一个法向量(,0,)22DS a a =，平面DAC 的一个法向量002OS =（，，），设所求二面角为θ，则cos 2OS DS OS DSθ⋅==，得所求二面角的大小为30°. （3）在棱SC 上存在一点E 使//BE PAC 平面.由（2）知DS 是平面PAC 的一个法向量，且,0,),(0,,)2222DS a a CS a a ==-（.设,CE tCS = 则(,(1),)222BE BC CE BC tCS a t at =+=+=--，而 103BE DC t ⋅=⇔=.即当:2:1SE EC =时，BE DS ⊥.而BE 不在平面PAC 内，故//BE PAC 平面.（完）。
2021年09月30日试卷一、单选题(共25题；共0分)1、(0分)如图，已知二面角 α－ PQ － β的大小为60°，点 C 为棱 PQ 上一点， A ∈ β ， AC ＝2，∠ ACP ＝30°，则点 A 到平面 α的距离为( )A. 1B. 12C.√32D. 322、(0分)在正三棱柱 ABC −A 1B 1C 1中，若AB=2, AA 1=1,则点A 到平面 A 1BC 的距离为（ ）A.√34B.√32C.3√34D. √33、(0分)正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1中，BB 1与平面ACD 1所成的角的余弦值为( )A.√23B.√33C. 23D.√634、(0分)已知m 、n 、l 是三条不同的直线， α、 β、 γ是三个不同的平面，给出以下命题：①若 m ⊂α,n ∥α ， 则 m ∥n ； ②若 m ⊂α,n ⊂β,α⊥β,α∩β=l,m ⊥l ， 则 m ⊥n ；③若 n ∥m ， m ⊂α ， 则 n ∥α；④若 α∥γ,β∥γ ， 则 α∥β 其中正确命题的序号是（ ）A. ②④B. ②③C. ③④D. ①③5、(0分)下列各组向量不平行的是（ ） A. a →=(1,0,0),b →=(−3,0,0) B. a →=(0,1,0),b →=(1,0,1)C. a →=(0,1,−1),b →=(0,−1,1)D. a →=(1,0,0),b →=(0,0,0)6、(0分)若平面α，β的法向量分别为n 1=(2，-3，5)，n 2=(-3，1，-4)，则( ). A. α∥βB. α⊥βC. α，β相交但不垂直D. 以上均不正确7、(0分)如图,半径为√3的扇形AOB 的圆心角为120∘,点C 在AB 上,且∠COB =30∘,若OC →=λOA →+μOB →,则λ+μ=( )A. √3B.√33C.4√33D. 2√38、(0分)已知a=(cos θ，1，sin θ)，b=(sin θ，1，cos θ)，则向量a+b 与a-b 的夹角是( ).A. 0°B. 30°C. 60°D. 90°9、(0分)正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，点P 在A 1C 上运动（包括端点），则BP 与AD 1所成角的取值范围是（ ）A. [π4,π3]B. [π4,π2]C. [π6,π2]D. [π6,π3]10、(0分)点 P 是棱长为 1 的正方体 ABCD −A 1B 1C 1D 1 的底面 ABCD 上一点，则 PA →⋅PC 1→的取值范围是 ( )A. [−1,−14] B. [−12,−14]C. [−1,0]D. [−12,0]11、(0分)在正三棱柱 ABC −A 1B 1C 1中，若AB=2， AA 1=1则点A 到平面 A 1BC 的距离为（ ）A.√34B.√32C.3√34D. √312、(0分)已知平面向量a 、b ，|a|＝1，|b|＝ √3 ， 且|2a ＋b|＝ √7 ， 则向量a 与向量a ＋b 的夹角为( )A. π2B. π3C. π6D. π13、(0分)设 α、 β是两个不同的平面， l 是一条直线，以下命题：①若 l ⊥α ， α⊥β ， 则 l ⊂β；②若 l ∥α ， α∥β ， 则 l ⊂β； ③若 l ⊥α ， α∥β ， 则 l ⊥β；④若 l ∥α ， α⊥β ， 则 l ⊥β。
章末综合测评(三) 空间向量与立体几何(满分：150分时间：120分钟)一、选择题(本大题共12小题，每小题5分，共60分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．)1．若a＝(2,2,0)，b＝(1,3，z)，〈a，b〉＝π3，则z等于() A.22B．－22C．±22 D．±42C[cos〈a，b〉＝a·b|a||b|＝2×1＋2×3＋0×z8×10＋z2＝12，可得z＝±22.]2．下列关于空间向量的命题中，正确命题的个数是()①任一向量与它的相反向量不相等；②长度相等、方向相同的两个向量是相等向量；③平行且模相等的两个向量是相等向量；④若a≠b，则|a|≠|b|；⑤两个向量相等，则它们的起点与终点相同．A．0B．1C．2D．3B[因为零向量与它的相反向量相等，所以①不正确；根据向量的定义，知长度相等、方向相同的两个向量是相等向量，②正确；平行且模相等的两个向量可能是相等向量，也可能是相反向量，③不正确；当a＝－b时，也有|a|＝|b|，④不正确；只要模相等、方向相同，两个向量就是相等向量，与向量的起点与终点无关，⑤不正确．综上可知只有②正确，故选B.]3．已知a＝(4，－1,0)，b＝(1,4,5)，c＝(－3,12，－9)分别为三条直线l1，l2，l3的方向向量，则()A．l1⊥l2，但l1与l3不垂直B．l1⊥l3，但l1与l2不垂直C．l2⊥l3，但l2与l1不垂直D ．l 1，l 2，l 3两两互相垂直A [因为a·b ＝(4，－1,0)·(1,4,5)＝4－4＋0＝0，a·c ＝(4，－1,0)·( －3,12，－9)＝－12－12＋0＝－24≠0，b ·c ＝(1,4,5)·(－3,12，－9)＝－3＋48－45＝0，所以a ⊥b ，a 与c 不垂直，b ⊥c .即l 1⊥l 2，l 2⊥l 3，但l 1不垂直于l 3.]4．已知正四面体A -BCD 的棱长为1，且AE →＝2EB →，AF →＝2FD →，则EF →·DC →＝( )A.23 B ．13 C ．－23 D ．－13D [由正四面体A -BCD 的棱长为1，且AE →＝2EB →，AF →＝2FD →，得EF →＝23BD →，则EF →·DC →＝23BD →·DC →＝23×1×cos 120°＝－13，故选D.]5．如图3-13所示，在正方形网格中，已知A ，B ，C 三点不共线，P 为平面ABC 内一定点，O 为平面ABC 外任意一点，则下列向量能表示向量OP →的为( )图3-13A ．O A →＋2AB →＋2AC →B ．OA →－3AB →－2AC → C.OA →＋3AB →－2AC →D ．OA →＋2AB →－3AC →C [根据A ，B ，C ，P 四点共面的条件，可知AP →＝xAB →＋yAC →.由图知x ＝3，y ＝－2，故OP →＝OA →＋AP →＝OA →＋3AB →－2AC →，故选C.]6．已知a ＝(2，－1,3)，b ＝(－1,4，－2)，c ＝(7,5，λ)．若a ，b ，c 三向量共面，则实数λ等于( )A.627 B ．637 C.607 D ．657D [由题意得c ＝t a ＋μb ＝(2t －μ，－t ＋4μ，3t －2μ)，∴⎩⎪⎨⎪⎧7＝2t －μ，5＝－t ＋4μ，λ＝3t －2μ.∴⎩⎪⎨⎪⎧t ＝337，μ＝177，λ＝657.]7．如图3-14所示，已知空间四边形ABCD ，连接AC ，BD ，M ，G 分别是BC ，CD 的中点，则AB →＋12BC →＋12BD →等于()图3-14A ．AD →B ．GA →C ．AG →D ．MG →C [∵M ，G 分别是BC ，CD 的中点，∴12BC →＝BM →，12BD →＝MG →，∴AB →＋12BC→＋12BD →＝AB →＋BM →＋MG →＝AM →＋MG →＝AG →.]8．已知四面体O -ABC 的各棱长均为1，D 是棱OA 的中点，则异面直线BD 与AC 所成角的余弦值为( )A.33 B ．14 C.36D ．28C [BD →＝OD →－OB →＝12OA →－OB →，AC →＝OC →－OA →，于是|BD →|＝32，|AC →|＝1，且BD →·AC →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12OA →－OB →·(OC →－OA →)＝－14，于是cos 〈BD →，AC →〉＝BD →·AC →|BD →||AC →|＝－1432×1＝－36，故异面直线BD 与AC 所成角的余弦值为36.]9．已知OA →＝(1,2,3)，OB →＝(2,1,2)，OP →＝(1,1,2)，点Q 在直线OP 上运动，则当QA →·QB →取得最小值时，点Q 的坐标为( )A.⎝ ⎛⎭⎪⎫12，34，13 B ．⎝ ⎛⎭⎪⎫12，32，34C.⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，83 D ．⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，73C [设Q (x ，y ，z )，因Q 在OP →上，故有OQ →∥OP →，设OQ →＝λOP →(λ∈R )，可得x ＝λ，y ＝λ，z ＝2λ，则Q (λ，λ，2λ)，QA →＝(1－λ，2－λ，3－2λ)，QB →＝(2－λ，1－λ，2－2λ)， 所以QA →·QB →＝6λ2－16λ＋10 ＝6⎝ ⎛⎭⎪⎫λ－432－23，故当λ＝43时，QA →·QB →取最小值， 此时Q ⎝ ⎛⎭⎪⎫43，43，83.]10．在正三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，已知AB ＝1，D 在棱BB 1上，且BD ＝1，则AD 与平面AA 1C 1C 所成的角的正弦值为( )A.64 B ．－64 C.104D ．－104A [取AC 中点E ，连接BE ，则BE ⊥AC ， 如图所示，建立空间直角坐标系Bxyz ，则A ⎝ ⎛⎭⎪⎫32，12，0，D (0,0,1)，则DA →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－32，－12，1.∵平面ABC ⊥平面AA 1C 1C ，平面ABC ∩平面AA 1C 1C ＝AC ，BE ⊥AC ， ∴BE ⊥平面AA 1C 1C ，∴BE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫32，0，0为平面AA 1C 1C 的一个法向量，∴cos 〈AD →，BE →〉＝－64，设AD 与平面AA 1C 1C 所成的角为α，则sin α＝|cos 〈AD →，BE →〉|＝64.] 11．如图3-15所示，在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，M 是棱DD 1的中点，O 是平面ABCD 的中心，P 是A 1B 1上的任意一点，则直线AM 与OP 所成角是( )图3-15A.π6 B ．π4 C.π3D ．π2D [设正方体的棱长为2a ，建立如图所示的空间坐标系，则有A (2a,0,0)，M (0,0，a )，O (a ，a,0)．∵P 是A 1B 1上任意一点，∴不妨设P (2a ，m,2a )(0≤m ≤2a )．∴AM →＝(0,0，a )－(2a,0,0)＝(－2a,0，a )， OP →＝(2a ，m,2a )－(a ，a,0)＝(a ，m －a,2a )． ∴AM →·OP →＝－2a ×a ＋0×(m －a )＋a ×2a ＝0. ∴异面直线AM 与OP 所成角为π2.]12．将正方形ABCD 沿对角线BD 折成直二面角A -BD -C ，有如下四个结论： ①AC ⊥BD ；②△ACD 是等边三角形；③AB 与平面BCD 所成的角为60°； ④AB 与CD 所成的角为60°. 其中错误的结论是 ( ) A ．① B ．② C ．③D ．④C [如图所示，建立空间直角坐标系Oxyz ，设正方形ABCD 边长为2，则D (1,0,0)，B (－1,0,0)，C (0,0,1)，A (0,1,0)，所以AC →＝(0，－1,1)，BD →＝(2,0,0)，AC →·BD →＝0，故AC ⊥BD .①正确．又|AC →|＝2，|CD →|＝2，|AD →|＝2，所以△ACD 为等边三角形．②正确． 对于③，OA →为平面BCD 的一个法向量， cos 〈AB →，OA →〉＝AB →·OA →|AB →||OA →|＝(－1，－1，0)·(0，1，0)2·1＝－12＝－22. 因为直线与平面所成的角∈[0°，90°]， 所以AB 与平面BCD 所成角为45°.故③错误． 又cos 〈AB →，CD →〉＝AB →·CD →|AB →||CD →|＝(－1，－1，0)·(1，0，－1)2·2＝－12.因为异面直线所成的角为锐角或直角， 所以AB 与CD 所成角为60°.故④正确．]二、填空题(本大题共4小题，每小题5分，共20分．把答案填在题中横线上)13．在空间直角坐标系中，已知点A (1,0,2)，B (1，－3,1)，点M 在y 轴上，且M 到A 与到B 的距离相等，则M 的坐标是________.(0，－1,0) [设M (0，y,0)，由|MA |＝|MB |得(1－0)2＋(0－y )2＋(2－0)2＝(1－0)2＋(－3－y )2＋(1－0)2，解得y ＝－1.∴M (0，－1,0)．]14．设a ，b 是直线，α，β是平面，a ⊥α，b ⊥β，向量a 在a 上，向量b 在b 上，a ＝(1,1,1)，b ＝(－3,4,0)，则α，β所成二面角中较小的一个角的余弦值为________．315 [设α，β所成二面角中较小的一个角为θ， 由题意得，cos θ＝|cos 〈a ，b 〉|＝|a·b ||a||b|＝(1，1，1)·(－3，4，0)3·5＝315.]15．如图3-16所示，已知二面角α-l -β的平面角为θ⎝ ⎛⎭⎪⎫θ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫0，π2，AB ⊥BC ，BC ⊥CD ，AB 在平面β内，BC 在l 上，CD 在平面α内，若AB ＝BC ＝CD ＝1，则AD 的长为________．图3-163－2cos θ [因为AD →＝AB →＋BC →＋CD →，所以AD →2＝AB →2＋BC →2＋CD →2＋2AB →·CD →＋2AB →·BC →＋2BC →·CD →＝1＋1＋1＋2cos(π－θ)＝3－2cos θ.所以|AD →|＝3－2cos θ， 即AD 的长为3－2cos θ.]16．在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，给出下列四个命题： ①(A 1A →＋A 1D 1→＋A 1B 1→)2＝3A 1B 1→2； ②A 1C →·(A 1B 1→－A 1A →)＝0；③向量AD 1→与向量A 1B →的夹角为60°；④正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的体积为|AB →·AA 1→·AD →|. 其中正确的序号是________.①② [①设正方体的棱长为1，则(A 1A →＋A 1D 1→＋A 1B 1→)2＝A 1C →2＝3,3A 1B 1→2＝3，故①正确；②中A 1B 1→－A 1A →＝AB 1→，∵AB 1⊥A 1C ，故②正确；③中A 1B 与AD 1两异面直线所成的角为60°，但向量AD 1→与A 1B →的夹角为120°，故③不正确；④中|AB →·AA 1→·AD →|＝0，故④也不正确. ]三、解答题(本大题共6小题，共70分．解答应写出文字说明，证明过程或演算步骤．)17．(本小题满分10分)如图3-17所示，在四棱锥M -ABCD 中，底面ABCD 是边长为2的正方形，侧棱AM 的长为3，且AM 和AB ，AD 的夹角都是60°，N 是CM 的中点，设a ＝AB →，b ＝AD →，c ＝AM →，试以a ，b ，c 为基向量表示出向量BN →，并求BN 的长．图3-17[解] ∵BN →＝BC →＋CN →＝AD →＋12CM →＝AD →＋12(AM →－AC →)＝AD →＋12[AM →－(AD →＋AB →)] ＝－12AB →＋12AD →＋12AM →， ∴BN →＝－12a ＋12b ＋12c .∵|BN →|2＝BN →2＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－12a ＋12b ＋12c 2＝14(a 2＋b 2＋c 2－2a·b －2a·c ＋2b·c )＝174， ∴|BN →|＝172，即BN 的长为172.18．(本小题满分12分)如图3-18所示，在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，AA 1→＝a ，AB →＝b ，AD →＝c ，点M ，N 分别是A 1D ，B 1D 1的中点．图3-18(1)试用a ，b ，c 表示MN →；(2)求证：MN ∥平面ABB 1A 1. [解] (1)∵A 1D →＝AD →－AA 1→＝c －a ，∴A 1M →＝12A 1D →＝12(c －a )． 同理，A 1N →＝12(b ＋c )，∴MN →＝A 1N →－A 1M →＝12(b ＋c )－12(c －a )＝12(b ＋a )＝12a ＋12b ；(2)∵AB 1→＝AA 1→＋AB →＝a ＋b ，∴MN →＝12AB 1→，即MN ∥AB 1，∵AB 1⊂平面ABB 1A 1，MN ⊄平面ABB 1A 1，∴MN ∥平面ABB 1A 1.19．(本小题满分12分)已知空间内三点A (0,2,3)，B (－2,1,6)，C (1，－1,5)． (1)求以向量AB →，AC →为一组邻边的平行四边形的面积S ；(2)若向量a 与向量AB →，AC →都垂直，且|a |＝3，求向量a 的坐标． [解] (1)∵AB →＝(2，－1,3)，AC →＝(1，－3,2)， ∴cos ∠BAC ＝AB →·AC →|AB →||AC →|＝714·14＝12，又∵∠BAC ∈[0°，180°]，∴∠BAC ＝60°，∴S ＝|AB →||AC →|sin 60°＝7 3. (2)设a ＝(x ，y ，z )，由a ⊥AB →，得－2x －y ＋3z ＝0， 由a ⊥AC →，得x －3y ＋2z ＝0， 由|a |＝3，得x 2＋y 2＋z 2＝3， ∴x ＝y ＝z ＝1或x ＝y ＝z ＝－1. ∴a ＝(1,1,1)或a ＝(－1，－1，－1).20．(本小题满分12分)如图3-19所示，在直三棱柱ABC -A ′B ′C ′中，AC ＝BC ＝AA ′，∠ACB ＝90°，D ，E 分别为AB ，BB ′的中点．图3-19(1)求证：CE ⊥A ′D ；(2)求异面直线CE 与AC ′所成角的余弦值. [解] (1)证明：设CA →＝a ，CB →＝b ，CC ′→＝c ， 根据题意，|a |＝|b |＝|c |且a·b ＝b·c ＝c·a ＝0，∴CE →＝b ＋12c ，A ′D →＝－c ＋12b －12a ，∴CE →·A ′D →＝－12c 2＋12b 2＝0. ∴CE →⊥A ′D →，即CE ⊥A ′D . (2)AC ′→＝－a ＋c ，CE →＝b ＋12c ，∴|AC ′→|＝2|a |，|CE →|＝52|a |.AC ′→·CE →＝(－a ＋c )·⎝ ⎛⎭⎪⎫b ＋12c ＝12c 2＝12|a |2，∴cos 〈AC ′→，CE →〉＝12|a |22·52|a |2＝1010.即异面直线CE 与AC ′所成角的余弦值为1010.21．(本小题满分12分)如图3-20所示，四棱锥P -ABCD 的底面是直角梯形，AB ∥CD ，AB ⊥AD ，△P AB和△P AD 是两个边长为2的正三角形，DC ＝4，O 为BD 的中点，E 为P A 的中点．图3-20(1)求证：PO ⊥平面ABCD ； (2)求证：OE ∥平面PDC ；(3)求直线CB 与平面PDC 所成角的正弦值．[解] (1)证明：设F 为DC 的中点，如图连接BF ，AF ， 则DF ＝AB .∵△P AB 和△P AD 均为正三角形，∴AB ＝AD . ∴AB ⊥AD ，AB ＝AD ，AB ∥DC ， ∴四边形ABFD 为正方形．∵O 为BD 的中点，∴O 为AF ，BD 的交点． ∵PD ＝PB ＝2，∴PO ⊥BD . ∵BD ＝AD 2＋AB 2＝22，∴PO ＝PB 2－BO 2＝2，AO ＝12BD ＝ 2.在△P AO 中，PO 2＋AO 2＝P A 2＝4，∴PO ⊥AO .∵AO ∩BO ＝O ，∴PO ⊥平面ABCD .(2)证明：由(1)知PO ⊥平面ABCD ，又AB ⊥AD ，∴过O 分别作AD ，AB 的平行线，以它们为x ，y 轴，以OP 所在直线为z 轴建立如图所示的空间直角坐标系．由已知得：A (－1，－1,0)，B (－1,1,0)，D (1，－1,0)，F (1,1,0)，C (1,3,0)，P (0,0，2)，E ⎝ ⎛⎭⎪⎫－12，－12，22，则OE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－12，－12，22，PF →＝(1,1，－2)，PD →＝(1，－1，－2)，PC →＝(1,3，－2)，∴OE →＝－12PF →，∴OE ∥PF .∵OE ⊄平面PDC ，PF ⊂平面PDC ，∴OE ∥平面PDC .(3)设平面PDC 的法向量为n ＝(x 1，y 1，z 1)，直线CB 与平面PDC 所成角为θ，则⎩⎨⎧n ·PC →＝0，n ·PD →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧x 1＋3y 1－2z 1＝0，x 1－y 1－2z 1＝0，解得⎩⎪⎨⎪⎧y 1＝0，x 1＝2z 1，令z 1＝1，则平面PDC 的一个法向量为n ＝(2，0,1)． 又CB →＝(－2，－2,0)，则sin θ＝|cos 〈n ，CB →〉|＝223×22＝33，∴直线CB 与平面PDC 所成角的正弦值为33.22．(本小题满分12分)如图3-21所示，在四棱锥S -ABCD 中，四边形ABCD 为正方形，SD ⊥平面ABCD ，点E ，F 分别是AB ，SC 的中点．图3-21(1)求证：EF ∥平面SAD ；(2)设SD ＝2DA ，求二面角A -EF -D 的余弦值．[解] 法一 (1)如图，取SD 的中点G ，连接GF ，GA .因为G ，F 分别是SD ，SC 的中点，所以GF ∥DC ，且GF ＝12DC .又四边形ABCD 为正方形，且E 是AB 的中点，所以AE ∥DC ，且AE ＝12DC . 于是AE ∥GF ，且AE ＝GF ，所以四边形AEFG 是平行四边形，所以EF ∥AG . 又EF ⊄平面SAD ，AG ⊂平面SAD ，故EF ∥平面SAD .设直线BC 与平面VAB 所成的角为φ，平面VAB 的法向量为n ＝(x ，y ，z )，则由⎩⎨⎧n ·AB →＝0n ·VD →＝0，得⎩⎨⎧－ax ＋ay ＝0a 2x ＋a 2y －22az tan θ＝0，所以可取n ＝⎝⎛⎭⎪⎫1，1，2tan θ. 所以sin φ＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪n ·BC →|n |·|BC →|＝a a ·2＋2tan 2θ＝22|sin θ|， 因为0<θ<π2，所以0<sin θ<1,0<sin φ<22. 因此∠MND 是二面角A -EF -D 的平面角． 设DA ＝2，则DG ＝2，DM ＝2，MN ＝12AB ＝1.又MN ⊥平面SAD ，DM ⊂平面SAD ，得MN ⊥DM ，所以DN ＝3， 从而cos ∠MND ＝MN DN ＝33，故二面角A -EF -D 的余弦值为33.法二：以D 为坐标原点，直线DA ，DC ，DS 分别为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系，如图所示．(1)设AB ＝2a ，SD ＝2b ，则D (0,0,0)，E (2a ，a,0)，S (0,0,2b )，C (0,2a,0)，F (0，a ，b )，故EF →＝(－2a,0，b )，DC →＝(0,2a,0)，于是EF →·DC →＝(－2a,0，b )·(0,2a,0)＝0，则EF →⊥DC →.又DC →是平面SAD 的一个法向量，所以EF ∥平面SAD .(2)设DC ＝2，有SD ＝2DC ＝4，则D (0,0,0)，A (2,0,0)，E (2,1,0)，F (0,1,2)， 则DE →＝(2,1,0)，DF →＝(0,1,2)，AE →＝(0,1,0)，EF →＝(－2,0,2)． 设平面DEF 的法向量为n ＝(x ，y ，z )，则⎩⎨⎧n ⊥DE→n ⊥DF →，所以⎩⎪⎨⎪⎧2x ＋y ＝0y ＋2z ＝0，令x ＝1，得n ＝(1，－2,1)．同理可得平面AEF 的一个法向量为m ＝(1,0,1)，所以cos 〈m ，n 〉＝n·m |n||m |＝26×2＝33，故二面角A -EF -D 的余弦值为33.。
空间向量与立体几何1、空间向量的概念：()1在空间，具有大小和方向的量称为空间向量．()2向量可用一条有向线段来表示．有向线段的长度表示向量的大小，箭头所指的方向表示向量的方向．()3向量AB 的大小称为向量的模（或长度），记作AB ． ()4模（或长度）为0的向量称为零向量；模为1的向量称为单位向量． ()5与向量a 长度相等且方向相反的向量称为a 的相反向量，记作a -． ()6方向相同且模相等的向量称为相等向量．2、空间向量的加法和减法：()1求两个向量和的运算称为向量的加法，它遵循平行四边形法则．即：在空间以同一点O 为起点的两个已知向量a 、b 为邻边作平行四边形C OA B ，则以O 起点的对角线C O 就是a 与b 的和，这种求向量和的方法，称为向量加法的平行四边形法则．()2求两个向量差的运算称为向量的减法，它遵循三角形法则．即：在空间任取一点O ，作a OA =，b OB =，则a b BA =-．3、实数λ与空间向量a 的乘积a λ是一个向量，称为向量的数乘运算．当0λ>时，a λ与a 方向相同；当0λ<时，a λ与a 方向相反；当0λ=时，a λ为零向量，记为0．a λ的长度是a 的长度的λ倍．4、设λ，μ为实数，a ，b 是空间任意两个向量，则数乘运算满足分配律及结合律．分配律：()a b a b λλλ+=+；结合律：()()a a λμλμ=．5、如果表示空间的有向线段所在的直线互相平行或重合，则这些向量称为共线向量或平行向量，并规定零向量与任何向量都共线．6、向量共线的充要条件：对于空间任意两个向量a ，()0b b ≠，//a b 的充要条件是存在实数λ，使a b λ=．7、平行于同一个平面的向量称为共面向量． 8、向量共面定理：空间一点P 位于平面C AB 内的充要条件是存在有序实数对x ，y ，使x y C AP =AB+A ；或对空间任一定点O ，有x y C OP =OA +AB +A ；或若四点P ，A ，B ，C 共面，则()1x y z C x y z OP =OA +OB +O ++=．9、已知两个非零向量a 和b ，在空间任取一点O ，作a O A=，b OB =，则∠A O B 称为向量a ，b 的夹角，记作,a b 〈〉．两个向量夹角的取值范围是：[],0,a b π〈〉∈． 10、对于两个非零向量a 和b ，若,2a b π〈〉=，则向量a ，b 互相垂直，记作a b ⊥．11、已知两个非零向量a 和b ，则c o s ,a b ab 〈〉称为a ，b 的数量积，记作a b ⋅．即c o s ,a b a bab ⋅=〈〉．零向量与任何向量的数量积为0．12、a b ⋅等于a 的长度a 与b 在a 的方向上的投影cos ,b a b 〈〉的乘积． 13、若a ，b 为非零向量，e 为单位向量，则有()1cos ,e a a e a a e ⋅=⋅=〈〉；()20a b a b ⊥⇔⋅=；()3()()a b a b a b a b a b ⎧⎪⋅=⎨-⎪⎩与同向与反向，2a a a ⋅=，a a a =⋅； ()4cos ,a b a b a b⋅〈〉=；()5a b a b ⋅≤．14、向量数乘积的运算律：()1a b b a ⋅=⋅；()2()()()a b a b a b λλλ⋅=⋅=⋅；()3()a b c a c b c +⋅=⋅+⋅．15、若i ，j ，k 是空间三个两两垂直的向量，则对空间任一向量p ，存在有序实数组{},,x y z ，使得p xi yj zk =++，称xi ，yj ，zk 为向量p 在i ，j ，k 上的分量．16、空间向量基本定理：若三个向量a ，b ，c 不共面，则对空间任一向量p ，存在实数组{},,x y z ，使得p xa yb zc =++．17、若三个向量a ，b ，c 不共面，则所有空间向量组成的集合是{},,,p p xa yb zc x y z R =++∈．这个集合可看作是由向量a ，b ，c 生成的，{},,a b c 称为空间的一个基底，a ，b ，c 称为基向量．空间任意三个不共面的向量都可以构成空间的一个基底．18、设1e ，2e ，3e 为有公共起点O 的三个两两垂直的单位向量（称它们为单位正交基底），以1e ，2e ，3e 的公共起点O 为原点，分别以1e ，2e ，3e 的方向为x 轴，y 轴，z 轴的正方向建立空间直角坐标系xyz O ．则对于空间任意一个向量p ，一定可以把它平移，使它的起点与原点O 重合，得到向量p OP =．存在有序实数组{},,x y z ，使得123p xe ye ze =++．把x ，y ，z 称作向量p 在单位正交基底1e ，2e ，3e 下的坐标，记作(),,p x y z =．此时，向量p 的坐标是点P 在空间直角坐标系xyz O 中的坐标(),,x y z ．19、设()111,,a x y z =，()222,,b x y z =，则()1()121212,,a b x x y y z z +=+++．()2()121212,,a b x x y y z z -=---． ()3()111,,a x y z λλλλ=． ()4121212a b x x y y z z ⋅=++．()5若a 、b 为非零向量，则12121200a b a b x x y y z z ⊥⇔⋅=⇔++=． ()6若0b ≠，则121212//,,a b a b x x y y z z λλλλ⇔=⇔===． ()721a a a x =⋅=+()82cos ,a b a b a bx ⋅〈〉==+．()9()111,,x y z A ，()222,,x y z B =，则(d x AB =AB =20、在空间中，取一定点O 作为基点，那么空间中任意一点P 的位置可以用向量OP 来表示．向量OP 称为点P 的位置向量．21、空间中任意一条直线l 的位置可以由l 上一个定点A 以及一个定方向确定．点A 是直线l 上一点，向量a 表示直线l 的方向向量，则对于直线l 上的任意一点P ，有ta AP =，这样点A 和向量a 不仅可以确定直线l 的位置，还可以具体表示出直线l 上的任意一点． 22、空间中平面α的位置可以由α内的两条相交直线来确定．设这两条相交直线相交于点O ，它们的方向向量分别为a ，b ．P 为平面α上任意一点，存在有序实数对(),x y ，使得xa yb OP =+，这样点O 与向量a ，b 就确定了平面α的位置． 23、直线l 垂直α，取直线l 的方向向量a ，则向量a 称为平面α的法向量． 24、若空间不重合两条直线a ，b 的方向向量分别为a ，b ，则////a b a b ⇔⇔()a b R λλ=∈，0a b a b a b ⊥⇔⊥⇔⋅=．25、若直线a 的方向向量为a ，平面α的法向量为n ，且a α⊄，则////a a αα⇔ 0a n a n ⇔⊥⇔⋅=，//a a a n a n ααλ⊥⇔⊥⇔⇔=．26、若空间不重合的两个平面α，β的法向量分别为a ，b ，则////a b αβ⇔⇔a b λ=，0a b a b αβ⊥⇔⊥⇔⋅=．27、设异面直线a ，b 的夹角为θ，方向向量为a ，b ，其夹角为ϕ，则有cos cos a b a bθϕ⋅==．28、设直线l 的方向向量为l ，平面α的法向量为n ，l 与α所成的角为θ，l 与n 的夹角为ϕ，则有sin cos l n l nθϕ⋅==．29、设1n ，2n 是二面角l αβ--的两个面α，β的法向量，则向量1n ，2n 的夹角（或其补角）就是二面角的平面角的大小．若二面角l αβ--的平面角为θ，则1212cos n n n n θ⋅=．30、点A 与点B 之间的距离可以转化为两点对应向量AB 的模AB 计算． 31、在直线l 上找一点P ，过定点A 且垂直于直线l 的向量为n ，则定点A 到直线l 的距离为cos ,n d n nPA⋅=PA 〈PA 〉=．32、点P 是平面α外一点，A 是平面α内的一定点，n 为平面α的一个法向量，则点P 到平面α的距离为cos ,n d n nPA⋅=PA 〈PA 〉=．空间向量与立体几何练习题1一、选择题（每小题5分，共50分）1.如图，在平行六面体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，M 为AC 与BD 的交点.若11B A =a ，11D A =b ，A A 1=c ，则下列向量中与M B 1相等的向量是A.－21a +21b +c B.21a +21b +c C.21a －21b +c D.－21a －21b +c2.下列等式中，使点M 与点A 、B 、C 一定共面的是A.--=23B.OC OB OA OM 513121++=C.0=+++D.0=++3.已知空间四边形ABCD 的每条边和对角线的长都等于1，点E 、F 分别是AB 、AD 的中点，则⋅等于A.41B.41-C.43D.43- 4.若)2,,1(λ=a ，)1,1,2(-=b ，a 与b 的夹角为060，则λ的值为 A.17或-1 B.-17或1 C.-1 D.15.设)2,1,1(-=，)8,2,3(=，)0,1,0(=，则线段AB 的中点P 到点C 的距离为 A.213 B.253 C.453D.4536.下列几何体各自的三视图中，有且仅有两个视图相同的是A ．①②B ．①③C ．①④D ．②④7.右图是一个几何体的三视图，根据图中数据，可得该几何体的表面积是①正方体 ②圆锥 ③三棱台 ④正四棱锥A.9πB.10πC.11πD.12π8.如图，ABCD -A 1B 1C 1D 1为正方体，下面结论错误．．的是 A.BD ∥平面CB 1D 1 B.AC 1⊥BDC.AC 1⊥平面CB 1D 1D.异面直线AD 与CB 1所成的角为60°9.如图，在长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，AB =BC =2,AA 1=1,则BC 1与平面BB 1D 1D 所成角的正弦值为55210.⊿ABC 的三个顶点分别是)2,1,1(-A ，)2,6,5(-B ，)1,3,1(-C ，则AC 边上的高BD 长为A.5B.41C.4D.52二、填空题（每小题5分，共20分）11.设)3,4,(x =a ，),2,3(y -=b ，且b a //，则=xy .12.已知向量)1,1,0(-=a ，)0,1,4(=b ，29=+b a λ且0λ>，则λ=________. 13.在直角坐标系xOy 中，设A （-2，3），B （3，-2），沿x 轴把直角坐标平面折成大小为θ的二面角后，这时112=AB ，则θ的大小为 ． 14.如图，P —ABCD 是正四棱锥，1111ABCD A BC D -是正方体，其中2,AB PA ==，则1B 到平面PAD 的距离为 .三、解答题（共80分）俯视图正(主)视图 侧(左)视图15.（本小题满分12分）如图，在四棱锥P-ABCD 中，底面ABCD 是边长为1的正方形，侧棱PA 的长为2，且PA 与AB 、AD 的夹角都等于600，M 是PC 的中点，设c b a ===AP AD AB ,,． （1）试用c b a ,,表示出向量BM ；（2）求BM 的长．16.（本小题满分14分）如下的三个图中，上面的是一个长方体截去一个角所得多面体的直观图，它的正视图和侧视图在下面画出（单位：cm ）.（1）在正视图下面，按照画三视图的要求画出该多面体的俯视图；（2）按照给出的尺寸，求该多面体的体积；（3）在所给直观图中连结'BC ，证明：'BC ∥面EFG..17.（本小题满分12分）如图，在四面体ABCD 中，CB CD AD BD =⊥，，点E F，正视图MPD C BA分别是AB BD ，的中点．求证： （1）直线//EF 面ACD ； （2）平面EFC ⊥面BCD ． 18.（本小题满分14分）如图，已知点P 在正方体''''D C B A ABCD -的对角线'BD 上，∠PDA=60°.（1）求DP 与'CC 所成角的大小；（2）求DP 与平面D D AA ''所成角的大小.19.（本小题满分14分）已知一四棱锥P －ABCD 的三视图如下，E 是侧棱PC 上的动点．（1）求四棱锥P －ABCD 的体积；（2）是否不论点E 在何位置，都有BD ⊥AE ？证明你的结论;D 'C 'B'A'PD C BA俯视图侧视图正视图ED CBA P （3）若点E 为PC 的中点，求二面角D －AE －B 的大小．20.（本小题满分14分）如图，已知四棱锥P ABCD -，底面ABCD 为菱形，PA ⊥平面ABCD ，60ABC ∠=，E F ，分别是BC PC ，的中点．（1）证明：AE PD ⊥；（2）若H 为PD 上的动点，EH 与平面PAD所成最大角的正切值为2，求二面角E AF C --的余弦值．参考答案 一、选择题PBECDFA1.)(21111A B B ++=+==c +21(－a +b )=－21a +21b +c ，故选A.2.1),,(=++∈++=⇔z y x R z y x OC z OB y OA x OM C B A M 且四点共面、、、由于C B A --=⇔=++∴0由于都不正确、、选项.)()()(共面使所以存在y x y x ,,,1,1∴+==-=四点共面，、、、为公共点由于C B A M M ∴故选D. 3.∵的中点分别是AD AB F E ,,,BD EF BD EF 21,21//=∴=∴且, 41120cos 1121,210-=⨯⨯⨯>=<=⋅=⋅∴DC BD DC BD DC EF 故选B.4.B5.B6.D7.D8.D9.D 10.4,cos ==><=AC AB ，5==,故选A二、填空题 11.9 12.313.作AC ⊥x 轴于C ，BD ⊥x 轴于D ，则++=θθcos 6)180,0,0,2530-=-⋅=⋅=⋅===DB AC DB CD CD AC0022222120,1800 .21cos ),cos 600(2253)112()(2)(=∴≤≤-=∴--+++=∴⋅+⋅+⋅+++=++=θθθθ由于AC DB DB CD CD AC DB CD AC14.以11B A 为x 轴，11D A 为y 轴，A A 1为z 轴建立空间直角坐标系 设平面PAD 的法向量是(,,)m x y z =，(0,2,0),(1,1,2)AD AP ==，∴02,0=++=z y x y ，取1=z 得(2,0,1)m =-，1(2,0,2)B A =-，∴1B 到平面PAD 的距离15B A m d m⋅==三、解答题15.解：（1）∵M 是PC 的中点，∴)]([21)(21BM -+=+=c b a a c b 212121)]([21++-=-+= （2）2,1,2,1===∴===c b a PA AD AB 由于160cos 12,0,60,00=⋅⋅=⋅=⋅=⋅∴=∠=∠⊥c b c a b a PAD PAB AD AB 由于),(21c b a ++-=BM 由于23)]110(2211[41)](2[41)(412222222=+-+++=⋅+⋅-⋅-+++=++-=c b c a b a c b a c b a2626的长为，BM ∴=. 16.解：（1）如图（2）所求多面体体积V V V =-长方体正三棱锥1144622232⎛⎫=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭2284(cm )3=． （3）证明：在长方体ABCD A B C D ''''-中，连结AD '，则AD BC ''∥． 因为E G ，分别为AA '，A D ''中点， 所以AD EG '∥， 从而EG BC '∥．又BC '⊄平面EFG ，所以BC '∥面EFG ．17.证明：（1）∵E,F 分别是AB BD ，的中点，∴EF 是△ABD 的中位线，∴EF ∥AD ，∵AD ⊂面ACD ，EF ⊄面ACD ，∴直线EF ∥面ACD ；（2）∵AD ⊥BD ，EF ∥AD ，∴EF ⊥BD ，∵CB=CD ，F 是ＢＤ的中点，∴CF ⊥BD 又EF ∩CF=F, ∴BD ⊥面EFC ， ∵BD ⊂面BCD ，∴面EFC ⊥面BCD .18.解：如图，以D 为原点，DA 为单位长建立空间直角坐标系D xyz -． 则(100)DA =，，，(001)CC '=，，．连结BD ，B D ''．A C D E F GA 'B 'C 'D '在平面BB D D ''中，延长DP 交B D ''于H ． 设(1)(0)DH m m m =>，，，由已知60DH DA <>=，， 由cos DA DH DA DH DA DH =<>，，可得2m = 解得2m=，所以21DH ⎛⎫= ⎪⎪⎝⎭．（1）因为0011cos DH CC ++⨯'<>==， 所以45DH CC '<>=，，即DP 与CC '所成的角为45．（2）平面AA D D ''的一个法向量是(010)DC =，，．因为01101cos 2DH DC +⨯<>==，， 所以60DH DC <>=，，可得DP 与平面AA D D ''所成的角为30．19.解：（1）由该四棱锥的三视图可知，该四棱锥P －ABCD 的底面是边长为1的正方形，侧棱PC ⊥底面ABCD ，且PC=2.∴1233P ABCD ABCD V S PC -=⋅=(2)不论点E 在何位置，都有BD ⊥AE证明如下：连结AC ，∵ABCD 是正方形，∴BD ⊥AC∵PC ⊥底面ABCD 且BD ⊂平面ABCD ∴BD ⊥PC又ACPC C =∴BD ⊥平面PAC∵不论点E 在何位置，都有AE ⊂平面PAC ∴不论点E 在何位置，都有BD ⊥AE(3)解法1：在平面DAE 内过点D 作DG ⊥AE 于G ，连结BG∵CD=CB,EC=EC ，∴Rt ECD ∆≌Rt ECB ∆，∴ED=EB ∵AD=AB ，∴△EDA ≌△EBA ，∴BG ⊥EA ∴DGB ∠为二面角D －EA －B 的平面角 ∵BC ⊥DE ，AD ∥BC ，∴AD ⊥DE在R ｔ△ADE 中AD DE DG AE ⋅==BG在△DGB 中，由余弦定理得212cos 222-=⋅-+=∠BG DG BD BG DG DGB∴DGB ∠=23π，∴二面角D －AE －B 的大小为23π. 解法2：以点C 为坐标原点，CD 所在的直线为ｘ轴建立空间直角坐标系如图示：则(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,0,1)D A B E ,从而(1,0,1),(0,1,0),(1,0,0),(0,1,1)DE DA BA BE =-===- 设平面ADE 和平面ABE 的法向量分别为(,,),(',',')m a b c n a b c ==由法向量的性质可得：0,0a c b -+==，'0,''0a b c =-+= 令1,'1c c ==-，则1,'1a b ==-，∴(1,0,1),(0,1,1)m n ==-- 设二面角D －AE －B 的平面角为θ，则1cos 2||||m n m n θ⋅==-⋅∴23πθ=，∴二面角D －AE －B 的大小为23π. 20.（1）证明：由四边形ABCD 为菱形，60ABC ∠=，可得ABC △为正三角形． 因为E 为BC 的中点，所以AE BC ⊥．又BC AD ∥，因此AE AD ⊥．因为PA ⊥平面ABCD ，AE ⊂平面ABCD ，所以PA AE ⊥． 而PA ⊂平面PAD ，AD ⊂平面PAD 且PAAD A =，所以AE ⊥平面PAD ．又PD ⊂平面PAD ， 所以AE PD ⊥．（2）解：设2AB =，H 为PD 上任意一点，连接AH EH ，． 由（1）知AE ⊥平面PAD ，则EHA ∠为EH 与平面PAD 所成的角．在Rt EAH △中，AE = 所以当AH 最短时，EHA ∠最大， 即当AH PD ⊥时，EHA ∠最大．此时tan AE EHA AH ∠===因此AH =2AD =，所以45ADH ∠=，所以2PA =．解法一：因为PA ⊥平面ABCD ，PA ⊂平面PAC ， 所以平面PAC ⊥平面ABCD ．过E 作EO AC ⊥于O ，则EO ⊥平面PAC ，过O 作OS AF ⊥于S ，连接ES ，则ESO ∠为二面角E AF C --的平面角，在Rt AOE△中，3sin302EO AE==3cos302AO AE==，又F是PC 的中点，在Rt ASO△中，3sin454 SO AO==，又SE==Rt ESO△中，cos SOESOSE∠===即所求二面角的余弦值为5．解法二：由（1）知AE AD AP，，两两垂直，以A为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系，又EF，分别为BC PC，的中点，所以(000)10)(020)A B C D-，，，，，，，，，，1(002)0)12P E F⎫⎪⎪⎝⎭，，，，，，，，所以31(300)12AE AF⎛⎫== ⎪⎪⎝⎭，，，，，．设平面AEF的一法向量为111()x y z=，，m，则AEAF⎧=⎪⎨=⎪⎩，，mm因此1111122x y z=++=⎪⎩，．取11z=-，则(021)=-，，m，因为BD AC⊥，BD PA⊥，PAAC A=，所以BD⊥平面AFC，故BD为平面AFC的一法向量．又(0)BD=，，所以cos55BDBDBD<>===，mmm．因为二面角E AF C--为锐角，所以所求二面角的余弦值为5．空间向量与立体几何2B一、选择题（每小题5分，共60分） 1．下列各组向量中不平行的是（ ）A ．)4,4,2(),2,2,1(--=-=b aB ．)0,0,3(),0,0,1(-==d cC ．)0,0,0(),0,3,2(==f eD ．)40,24,16(),5,3,2(=-=h g 2．已知点(3,1,4)A --，则点A 关于x 轴对称的点的坐标为（ ） A ．)4,1,3(-- B ．)4,1,3(--- C ．)4,1,3( D ．)4,1,3(--3．若向量)2,1,2(),2,,1(-==b aλ，且a 与b 的夹角余弦为98，则λ等于（ ）A ．2B ．2-C ．2-或552D ．2或552-4．若A )1,2,1(-，B )3,2,4(，C )4,1,6(-，则△ABC 的形状是（ ）A ．不等边锐角三角形B ．直角三角形C ．钝角三角形D ．等边三角形5．若A )12,5,(--x x x ，B )2,2,1(x x -+，当B A取最小值时，x 的值等于（ ） A ．19 B ．78-C ．78D ．14196．空间四边形OABC 中，OB OC =，3AOB AOC π∠=∠=，则cos <,OA BC >的值是（ ）A ．21B ．22 C ．－21 D ．07．设n m 、表示直线，βα、表示平面，则下列命题中不正确．．．的是（ ）． A ．βα⊥⊥m ,m ，则α//β B ．m//n ,=βαα ，则m//n C ．α⊥m ,β//m , 则βα⊥ D ．n //m ,α⊥m , 则 α⊥n8．在棱长均为2的正四面体BCD A -中，若以三角形ABC 为视角正面的三视图中，其左视图的面积是（ ）． A ．3 B ．362 C ．2 D ．22 9、如图，将无盖正方体纸盒展开，直线AB,CD 在原正方体中的位置关系是（ ） A ．平行 B ．相交且垂直ABC DDCABC ． 异面D ．相交成60°10、点P 在平面ABC 外，若PA=PB=PC ，则点P 在平面ABC 上的射影 是△ABC 的 （ ）A ．外心 B.重心 C.内心 D.垂心11、如果一个水平放置的图形的斜二测直观图是一个底角为45°，腰和上底均为１的等腰梯形，那么原平面图形的面积是（ ）（A）2（B）12 （C）22+ （D）112、已知PD ⊥矩形ABCD 所在的平面，图中相互垂直的平面有（ ） （A ）2对 （B ）3对 （C ）4对 （D ）5对二、填空题（每小题4分，共24分）13．若向量)2,3,6(),4,2,4(-=-=b a，则(23)(2)a b a b -+=__________________。
高中数学选修2-1第三章《空间向量与立体几何》典型练习题一、选择题1．下列各组向量中不平行的是（ ）A ．)4,4,2(),2,2,1(--=-=b a ρρB ．)0,0,3(),0,0,1(-==d c ρρC ．)0,0,0(),0,3,2(==f e ρρD ．)40,24,16(),5,3,2(=-=h g ρρ2．已知点(3,1,4)A --，则点A 关于x 轴对称的点的坐标为（ ） A ．)4,1,3(-- B ．)4,1,3(--- C ．)4,1,3( D ．)4,1,3(--3．若向量)2,1,2(),2,,1(-==b a ρρλ，且a ρ与b ρ的夹角余弦为98，则λ等于（ ）A ．2B ．2-C ．2-或552D ．2或552-4．若A )1,2,1(-，B )3,2,4(，C )4,1,6(-，则△ABC 的形状是（ ） A ．不等边锐角三角形 B ．直角三角形 C ．钝角三角形 D ．等边三角形5．若A )12,5,(--x x x ，B )2,2,1(x x -+，当B A ρ取最小值时，x 的值等于（ ）A ．19B ．78-C ．78D ．14196．空间四边形OABC 中，OB OC =，3AOB AOC π∠=∠=，则cos <,OA BC u u u r u u u r>的值是（ ）A ．21B ．22C ．－21D ．0二、填空题1．若向量)2,3,6(),4,2,4(-=-=b a ρρ，则(23)(2)a b a b -+=r r rr g __________________。
2．若向量,94,2k j i b k j i a ρρρρρρρρ++=+-=，则这两个向量的位置关系是___________。
3．已知向量),2,4(),3,1,2(x b a -=-=ρρ，若a ⊥r b ρ，则=x ______；若//a r b ρ则=x ______。
第三章 空间向量与立体几何（时间：120分钟，满分：150分）第I 卷（选择题）班别 姓名 成绩一、选择题（本大题共12小题，每小题5分，共60分）A.15，12 B ．5，2 C ．－15，－12D ．－5，－2 解析：选A.a ∥b ，则存在m ∈R ，使得a ＝m b ，又a ＝(λ＋1,0,2λ)，b ＝(6,2μ－1,2)，则有⎩⎪⎨⎪⎧λ＋1＝6m ，0＝m (2μ－1)，2λ＝2m ，可得⎩⎨⎧λ＝15，μ＝12.2．已知A(1，－2,11)，B(4,2,3)，C(6，－1,4)三点，则△ABC 是( ) A ．直角三角形 B ．钝角三角形 C ．锐角三角形 D ．等腰三角形解析：选A .AB →＝(3,4，－8)，BC →＝(2，－3,1)，CA →＝(－5，－1,7)， ∴BC →·CA →＝－10＋3＋7＝0.∴BC ⊥CA. ∴△ABC 是直角三角形．3．已知向量(1,1,0)a = ，(1,0,2)b =-，且ka b + 与2a b - 互相垂直，则k 的值是（ ）A ．1B 【答案】D 试题分析：依题意可得(1,,2),2(3,2,2)ka b k k a b +=--=-，由()(2)k a b a b +⊥- 可得()(2)0ka b a b +⋅-= ，所以3(1)240k k -+-=，解得 D.4．已知a ＝(1,0,1)，b ＝(－2，－1,1)，c ＝(3,1,0)2c |等于( )A ．310B ．210 C.10 D ．5 解析：选A.|a －b ＋2c |＝(a －b ＋2c )2，∵a －b ＋2c ＝(1,0,1)－(－2，－1,1)＋2(3,1,0)＝(9,3,0)， ∴|a －b ＋2c |＝92＋32＋0＝310. 5．给出下列命题： ①已知a ⊥b ，则a ·(b ＋c )＋c ·(b －a )＝b ·c ；②A 、B 、M 、N 为空间四点，若BA →、BM →、BN →不能构成空间的一个基底，则A 、B 、M 、N 四点共面； ③已知a ⊥b ，则a ，b 与任何向量都不能构成空间的一个基底；④已知{a ，b ，c }是空间的一个基底，则基向量a ，b 可以与向量m ＝a ＋c 构成空间另一个基底． 其中正确命题的个数是( ) A ．1 B ．2 C ．3 D ．4 解析：选C.当a ⊥b 时，a ·b ＝0，a ·(b ＋c )＋c ·(b －a )＝a ·b ＋a ·c ＋c ·b －c ·a ＝c ·b ＝b ·c ，故①正确；当向量BA →、BM →、BN →不能构成空间的一个基底时，BA →、BM →、BN →共面，从而A 、B 、M 、N 四点共面，故②正确；当a ⊥b 时，a ，b 不共线，任意一个与a ，b 不共面的向量都可以与a ，b 构成空间的一个基底，故③错误；当{a ，b ，c }是空间的一个基底时，a ，b ，c 不共面，所以a ，b ，m 也不共面，故a ，b ，m 可构成空间的另一个基底，故④正确．6．已知空间三点A(1,1,1),B(-1,0, 4),C(2,-2,3),则与的夹角θ的大小是( )(A) (B)π (C) (D)π 【答案】B 【解析】由题意知=(-2,-1,3),=(-1,3,-2),故cos θ===-, 所以θ=π.7．已知平面α内有一点M(1，－1,2)，平面α的一个法向量为n ＝(6，－3,6)，则下列点P 中，在平面α内的是( )A ．P(2,3,3)B ．P(－2,0,1)C ．P(－4,4,0)D ．P(3，－3,4)解析：选A.逐一验证法，对于选项A ，MP →＝(1,4,1)， ∴MP →·n ＝6－12＋6＝0，∴MP →⊥n ，∴点P 在平面α内，同理可验证其他三个点不在平面α内．8．已知在空间四边形OABC 中，OA →＝a ，OB →＝b ，OC →＝c ，点M 在OA 上，且OM ＝2MA ，N 为BC中点，则MN →等于( )A.12a －23b ＋12c B ．－23a ＋12b ＋12c C.12a ＋12b －12c D.23a ＋23b －12c 解析：选B.因MN →＝ON →－OM →＝12(OB →＋OC →)－23OA →＝12b ＋12c －23a .考点：1.空间向量的坐标运算；2.空间向量垂直的条件；3.空间向量的数量积.9．已知非零向量a,b 及平面α,若向量a 是平面α的法向量,则a ·b=0是向量b 所在直线平行于平面α或在平面α内的( )(A)充分不必要条件 (B)必要不充分条件 (C)充要条件 (D)既不充分也不必要条件 【答案】C【解析】∵a,b 是非零向量,且a 是平面α的法向量,∴当a ·b=0时,向量b 所在的直线平行于平面α或在平面α内,反之也成立.10．已知(2,2,5)u =- ，(6,4,4)v =-，u ，v 分别是平面α，β的法向量，则平面α，β的位置关系式 A ．平行 B ．垂直 C ．所成的二面角为锐角 D ．所成的二面角为钝角 【答案】B试题分析：由(2,2,5)u =- ，(6,4,4)v =-，可得262(4)540u v ⋅=-⨯+⨯-+⨯= ，所以u v ⊥ ，而u ，v分别是平面α，β的法向量，所以αβ⊥，选B.考点：空间向量在解决空间垂直中的应用.11．在正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1中,M 为DD 1的中点,O 为底面ABCD 的中心,P 为棱A 1B 1上任意一点,则直线OP 与直线AM 所成的角是( )(A) (B) (C) (D) 【答案】D【解析】结合图形建立空间直角坐标系,通过向量的坐标运算可知AM ⊥OP 恒成立,即AM 与OP 所成的角为. 12．如图,正方形ACDE 与等腰直角三角形ACB 所在的平面互相垂直,且AC=BC=2,∠ACB=90°,F,G 分别是线段AE,BC 的中点,则AD 与GF 所成的角的余弦值为( )(A) (B)- (C) (D)-【答案】A【解析】如图, 正方形ACDE 与等腰直角三角形ACB 所在的平面互相垂直,且AC=BC=2,∠ACB=90°,F,G 分别是线段AE,BC 的中点.以C 为原点建立空间直角坐标系Cxyz,A(0,2,0),B(2,0,0),D(0,0,2),G(1,0,0),F(0,2,1),=(0,-2,2),=(-1,2,1),∴||=2,||=,·=-2, ∴cos<,>==-.∴直线AD 与GF 所成角的余弦值为. 【误区警示】本题容易忽视异面直线所成角的范围而误选B.第II 卷（非选择题）二．填空题（每题5分，总20分）13．已知向量a ＝(2，－1)，b ＝(－1，m)，c ＝(－1,2)，若(a ＋b )∥c ，则m ＝________. 【答案】-1【解析】∵a ＝(2，－1)，b ＝(－1，m)，∴a ＋b ＝(1，m －1)，∵(a ＋b)∥c ，c ＝(－1,2)，∴1×2－(－1)(m －1)＝0，∴m ＝－114．在空间直角坐标系O xyz -中，设点M 是点(2,3,5)N -关于坐标平面xoy 的对称点，则线段MN 的长度等于 .【答案】10 【解析】试题分析：点(2,3,5)N -关于坐标平面xOy 的对称点()2,3,5M --，故线段10MN =． 考点：空间中的距离．15．如图所示，在棱长为4的正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，点E 是棱CC 1的中点，则异面直线D 1E 与AC 所成的角的余弦值是________．16．若)1,3,2(-=a ，)3,1,2(-=b ，则b a ,为邻边的平行四边形的面积为 ．以b a ,为邻边的平行四边形的面积为三、解答题(本题共5小题，解答写出文字说明、证明过程或演算步骤)17.如图，在平行六面体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，CM ＝2MA ，A 1N ＝2ND ，且AB →＝a ，AD →＝b ，AA 1→＝c ，试用a ，b ，c 表示向量MN →.解：∵MN →＝MA →＋AA 1→＋A 1N →＝－13AC →＋AA 1→＋23A 1D →＝－13(AB →＋AD →)＋AA 1→＋23(A 1A →＋A 1D 1→)＝－13AB →－13AD →＋13AA 1→＋23AD →＝－13a ＋13b ＋13c ，∴MN →＝－13a ＋13b ＋13c .18．在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，P 为DD 1的中点，M 为四边形ABCD 的中心．求证：对A 1B 1上任一点N ，都有MN ⊥AP.证明：建立如图所示的空间直角坐标系Dxyz ，设正方体的棱长为1，则A(1,0,0)，P ⎝⎛⎭⎫0，0，12， M ⎝⎛⎭⎫12，12，0，N(1，y,1)． ∴AP →＝⎝⎛⎭⎫－1，0，12， MN →＝⎝⎛⎭⎫12，y －12，1. ∴AP →·MN →＝(－1)×12＋0×⎝⎛⎭⎫y －12＋12×1＝0， ∴AP →⊥MN →， 即A 1B 1上任意一点N 都有MN ⊥AP. 19．（12分）如图，已知正方体''''ABCD A B C D -的棱长为a ，M 为'BD 的中点，点N 在'AC '上，且|'|3|'|A N NC =，试求MN 的长．O'N M D'C'B'A'CBA Dz yx【答案】64a 试题分析：解：以D 为原点，建立如图空间直角坐标系．因为正方体棱长为a ，所以B （a ，a ，0），A'（a ，0，a ），'C （0，a ，a ），'D （0，0，a ）．由于M 为'BD 的中点，取''A C 中点O'，所以M ，O'a ）．因为|'|3|'|A N NC =，所以N 为''A C 的四等分，从而N 为''O C 的中点，故a ）．根据空间两点距离公式，可得20．在棱长为2的正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，E 、F 分别为A 1D 1和CC 1的中点． (1)求证：EF ∥平面ACD 1；(2)求异面直线EF 与AB 所成的角的余弦值；解：如图，分别以DA 、DC 、DD 1所在的直线为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系Dxyz ，由已知得D(0,0,0)、A(2,0,0)、B(2,2,0)、C(0,2,0)、B 1(2,2,2)、E(1,0,2)、F(0，2,1)．(1)证明：易知平面ACD 1的一个法向量DB 1→＝(2,2,2)． ∵EF →＝(－1,2，－1)，∴EF →·DB 1→＝－2＋4－2＝0， ∴EF →⊥DB 1→，而EF ⊄平面ACD 1，∴EF ∥平面ACD 1.(2)∵AB →＝(0,2,0)， ∴cos 〈EF →，AB →〉＝EF →·AB →|EF →||AB →|＝426＝63，∴异面直线EF 与AB 所成的角的余弦值为63.21、如图所示，在四棱锥P －ABCD 中，底面ABCD 是矩形，PA ⊥平面ABCD ，PA ＝AD ＝2，AB ＝1，BM ⊥PD 于点M.(1)求证：AM ⊥PD ；(2)求直线CD 与平面ACM 所成角的余弦值．解：(1)证明：∵PA ⊥平面ABCD ，AB ⊂平面ABCD ， ∴PA ⊥AB.∵AB ⊥AD ，AD ∩PA ＝A ， ∴AB ⊥平面PAD.∵PD ⊂平面PAD ，∴AB ⊥PD ，又∵BM ⊥PD ，AB ∩BM ＝B ， ∴PD ⊥平面ABM.∵AM ⊂平面ABM ，∴AM ⊥PD.(2) 如图所示，以点A 为坐标原点，建立空间直角坐标系Axyz ， 则A(0,0,0)，P(0,0,2)，B(1,0,0)，C(1,2,0)，D(0，2,0)． ∵AM ⊥PD ，PA ＝AD ，∴M 为PD 的中点，∴M 的坐标为(0,1,1)． ∴AC →＝(1,2,0)，AM →＝(0,1,1)，CD →＝(－1,0,0)． 设平面ACM 的一个法向量为n ＝(x ，y ，z)，由n ⊥AC →，n ⊥AM →可得⎩⎪⎨⎪⎧x ＋2y ＝0y ＋z ＝0，令z ＝1，得x ＝2，y ＝－1.∴n ＝(2，－1,1)． 设直线CD 与平面ACM 所成的角为α，则sin α＝|CD →·n ||CD →|·|n |＝63.∴cos α＝33，即直线CD 与平面ACM 所成角的余弦值为33.22.如图，四棱锥P －ABCD 中，底面ABCD 为平行四边形，∠DAB ＝60°，AB ＝2AD ，PD ⊥底面ABCD. (1)证明：PA ⊥BD ；(2)若PD ＝AD ，求二面角A －PB －C 的余弦值． 解：(1)证明：因为∠DAB ＝60°，AB ＝2AD ， 由余弦定理得BD ＝3AD ，从而BD 2＋AD 2＝AB 2，故BD ⊥AD. 又因为PD ⊥底面ABCD ，可得BD ⊥PD. 又因为AD ∩PD ＝D ，所以BD ⊥平面PAD ，故PA ⊥BD.(2)如图，以D 为坐标原点，AD 的长为单位长，射线DA 为x 轴的正半轴建立空间直角坐标系Dxyz ，则A(1,0,0)，B(0，3，0)， C(－1，3，0)，P(0,0,1)， AB →＝(－1，3，0)，PB →＝(0，3，－1)， BC →＝(－1,0,0)．设平面PAB 的法向量为n ＝(x ，y ，z)，则⎩⎪⎨⎪⎧n ·AB →＝0，n ·PB →＝0，即⎩⎨⎧－x ＋3y ＝0，3y －z ＝0，因此可取n ＝(3，1，3)． 设平面PBC 的法向量为m ，则 ⎩⎪⎨⎪⎧m ·PB →＝0，m ·BC →＝0，可取m ＝(0，－1，－3)，〈m ，n 〉等于二面角A －PB －C 的平面角，cos 〈m ，n 〉＝－427＝－277.故二面角A －PB －C 的余弦值为－277.。
高二数学选修2-1第3章空间向量与立体几何单元测试题（含答案）空间向量是解立体几何的一种常用方法，以下是第3章空间向量与立体几何单元测试题，希望对大家有帮助。
一、填空题1.判断下列各命题的真假：①向量AB的长度与向量BA的长度相等;②向量a与b平行，则a与b的方向相同或相反;③两个有共同起点而且相等的向量，其终点必相同;④两个有公共终点的向量，一定是共线向量;⑤有向线段就是向量，向量就是有向线段.其中假命题的个数为________.2.已知向量AB，AC，BC满足|AB|=|AC|+|BC|，则下列叙述正确的是________.(写出所有正确的序号)①AB=AC+BC②AB=-AC-BC③AC与BC同向;④AC与CB同向.3.在正方体ABCD-A1B1C1D中，向量表达式DD1-AB+BC化简后的结果是________.4.在平行六面体ABCD-A1B1C1D中，用向量AB，AD，AA1来表示向量AC1的表达式为___________________________________________________ _____________________.5.四面体ABCD中，设M是CD的中点，则AB+12(BD+BC)化简的结果是________.6.平行六面体ABCDA1B1C1D1中，E，F，G，H，P，Q分别是A1A，AB，BC，CC1，C1D1，D1A1的中点，下列结论中正确的有________.(写出所有正确的序号)① +GH+PQ② -GH-PQ③ +GH-PQ④ -GH+PQ=0.7.如图所示，a,b是两个空间向量，则AC与AC是________向量，AB与BA是________向量.8.在正方体ABCD-A1B1C1D中，化简向量表达式AB+CD+BC+DA 的结果为________.二、解答题9.如图所示，已知空间四边形ABCD，连结AC，BD，E，F，G 分别是BC，CD，DB的中点，请化简(1)AB+BC+CD，(2)AB+GD+EC，并标出化简结果的向量.10.设A是△BCD所在平面外的一点，G是△BCD的重心.求证：AG=13(AB+AC+AD).能力提升11.在平行四边形ABCD中，AC与BD交于点O，E是线段OD 的中点，AE的延长线与CD交于点F.若AC=a，BD=b，则AF=______________________.12.证明：平行六面体的对角线交于一点，并且在交点处互相平分.解析①真命题;②假命题，若a与b中有一个为零向量时，其方向是不确定的;③真命题;④假命题，终点相同并不能说明这两个向量的方向相同或相反;⑤假命题，向量可用有向线段来表示，但并不是有向线段.2.④解析由|AB|=|AC|+|BC|=|AC|+|CB|，知C点在线段AB上，否则与三角形两边之和大于第三边矛盾，所以AC与CB同向.3.BD1解析如图所示，∵DD1=AA1，DD1-AB=AA1-AB=BA1，BA1+BC=BD1，DD1-AB+BC=BD1.4.AC1=AB+AD+AA1解析因为AB+AD=AC，AC+AA1=AC1，所以AC1=AB+AD+AA1.5.AM解析如图所示，因为12(BD+BC)=BM，所以AB+12(BD+BC)=AB+BM=AM.6.①解析观察平行六面体ABCDA1B1C1D1可知，向量EF，GH，PQ 平移后可以首尾相连，于是EF+GH+PQ=0.7.相等相反8.0解析在任何图形中，首尾相接的若干个向量和为零向量.9.解 (1)AB+BC+CD=AC+CD=AD.(2)∵E，F，G分别为BC，CD，DB的中点.BE=EC，EF=GD.AB+GD+EC=AB+BE+EF=AF.故所求向量AD，AF，如图所示.10.证明连结BG，延长后交CD于E，由G为△BCD的重心，知BG=23BE.∵E为CD的中点，BE=12BC+12BD.AG=AB+BG=AB+23BE=AB+13(BC+BD)=AB+13[(AC-AB)+(AD-AB)]=13(AB+AC+AD).11.23a+13b解析 AF=AC+CF=a+23CD=a+13(b-a)=23a+13b.12.证明如图所示，平行六面体ABCDABCD，设点O是AC的中点，则AO=12AC=12(AB+AD+AA).设P、M、N分别是BD、CA、DB的中点.则AP=AB+BP=AB+12BD=AB+12(BA+BC+BB)=AB+12(-AB+AD+AA)=12(AB+AD+AA).同理可证：AM=12(AB+AD+AA)AN=12(AB+AD+AA).由此可知O，P，M，N四点重合.故平行六面体的对角线相交于一点，且在交点处互相平分.第3章空间向量与立体几何单元测试题的全部内容就是这些，查字典数学网预祝大家新学期可以取得更好的成绩。
1 .2 .3 .4. 选修2-1第三章空间向量检测题（一）、选择题（每小题5分，共60分）已知向量2A. 3在长方体A.AD i 5. a = (2,—3,5)与向量b= (3,人号）平行，则X=（9B.2ABCD—A1B1C1D1 中，A B+ B C+ C C1 —D7C1 等于(B.AC1C.ADD.AB若向量a= (1, m,2), b= (2, —1,2)，若8 rcos〈a, b〉= 9,贝" m的值为（）A . 2 B.—2 C.—2或552 D. 2或—55已知空间向量a= (1,1,0), b= (—1,0,2), (0,1,2)已知A,共面的是（则与向量a+ b方向相反的单位向量的坐标是（）1 B. (0,—1,—2) C. (0, ，5, D . (0，- 15,-B, C三点不共线，对平面ABC内任一点0,下列条件中能确定M与点A , B , C 一定) A.O M = O A+OB + O C B.O M= 2OA —OB —OtC.OM = 0A + joB + 100D.OM = 1(5A + 1(5B+1(5C6•如图，已知空间四边形OABC，其对角线为OB, AC , M , N分别是对边0A , BC的中点，点G在线段MN上，且MG = 2GN ,现用基向量0A , OB , Oc表示向量，设0G=xOA+yOB+zOC ,则x, y, z的值分别是（1 A . x= 3,1y=3,1z= 31 1B. x=3, y= 3,c. x= 3,1y =6,1Z= 31 1D. x=6, y=11Z= 37•如图所示，已知三棱锥A—BCD, O BCD内一点，则AO + AD）是0 BCD的重心的（）G NB1(A B+A CA •充分不必要条件B •必要不充分条件C •充要条件D •既不充分也不必要条件E8已知平行六面体 ABCD — A i B i C i D i 中，若ABCD 是边长为2 的正方形，AA i = 1，/ A i AD = Z A i AB=60°贝V BD i 的长为（）A . 3B. .' 7C. . 13D . 99•如图所示，在直三棱柱 ABC — A i B i C i 中，AB = BC = AA i ,Z ABC = 90° 点E , F 分别是棱AB , BB i 的中点，则直线 EF 与BC i 所成的角是（ ） A . 45°B . 60°C . 90°D . i20°iO .把正方形ABCD 沿对角线AC 折起，当以A , B , C , D 四点为顶点的 三棱锥的体积最大时，直线BD 与平面ABC 所成的角的大小为（）A . 90 °B . 60 °C . 45 °D . 30 °ii.如图所示，在三棱锥 P —ABC 中，/ APB =Z BPC =Z APC = 90° M 在厶 ABC 内，/ MPA = 60° / MPB = 45° 则/ MPC 的度数为（ ）A . i50°B . 45°C . 60°D . i20°i2 .已知直二面角 a — PQ — 3, A € PQ , B € a, C € 3, CA = CB ，/ BAP =45° ,直线CA 和平面a 所成的角为30° ,那么二面角 B — AC — P 的正 切值为（）i3.已知四面体 ABCD 中，AB = a — 2c , CD = 5a + 6b — 8c , AC , BD 的中点分别为 E , F ,则 =14. 在直三棱柱 ABC — A i B i C i 中，/ ACB = 90 ° / BAC = 30 ° , BC = 1 , AA1 = ： 6 , M 是 CC i 的 中点，则异面直线 AB i 与A i M 所成角的大小为 _____________ .15. 已知平行六面体 ABCD — A i B i C i D i 中，ABCD 是边长为 a 的正方形，AA i = b , / A i AB =Z A i AD = I20 °,贝U AC i 的长为 __________ .i6.如图，平面 ABCD 丄平面ABEF ,四边形ABCD 是正方形，四题号 i2 3456789I0iiI2答案B . 3C.|、填空题（每小题5分，共20分）iD .3Ci边形ABEF是矩形，且AF = 2AD = a, G是EF的中点，贝U GB与平面AGC所成角的正弦值为__________ .8已知平行六面体ABCD —A i B i C i D i中，若ABCD是边长为 2 的正方形，AA i= 1，/ A i AD = Z A i AB三、解答题(写出必要的计算步骤，只写最后结果不得分，共70分)17. (10 分)已知A(1，- 2,11), B(6 , - 1,4), C(4,2,3), D(12,7 12)，证明:A, B, C, D 四点共面.18. (12分)如图，已知点P在正方体ABCD —A1B1C1D1的体对角线BD1上，/ PDA = 60 °(1)求DP与CC1所成角的大小；⑵求DP与平面AA1D1D所成角的大小.19. (12分)如图所示，已知正方体ABCD —A1B1C1D1中，E为棱CC1上的动点.(1)求证A1E丄BD ; (2)若平面A1BD丄平面EBD，试确定E点的位置.20.(12分)如图，四边形 PDCE 为矩形，四边形 ABCD 为梯形，平面 PDCE 丄平面ABCD ，/ BAD21.(12分)如图所示，在四棱锥P — ABCD 中，底面ABCD 是矩形, AB = 1 , BM 丄 PD 于点 M.(1)求证AM 丄PD ; (2)求直线CD 与平面ACM 所成的角的余弦值.22.(12分)如图所示，在四棱锥 P — ABCD 中，底面是边长为 2^3的菱形，且/ BAD = 120 ° PA 丄 平面ABCD , PA = 2 6, M , N 分别为PB , PD 的中点.(1)证明MN //平面ABCD ; (2)过点A 作AQ 丄PC ,垂足为点Q ,求二面角A — MN — Q 的平面角的 余弦值.1=/ ADC = 90° AB = AD = 2CD = a , PD = >/2a.(1)若M 为PA 的中点，求证： AC //平面 MDE ; (2)求平面PAD 与平面 PBC所成锐二面角的大小.PA 丄平面 ABCD , PA = AD = 2,第三章单兀质量评估(一■)1. C T a // b ,「. b = ma(m € R),2= Y= 15，得入——7 8 92AB + BC + CC i — D 1C 1 = AC 1 — D iG = AC 1 + CD 1 = AD 1. ab = 6-m |a 匸.m 2 + 5 |b| = 3, cos 〈a，b 〉=|a||b|=3 m 2 + 57 C8 A BD 1=BA +AD + DTD 1 = E B A +BC + BB 1, |BD 1|2= BD 12 = (BA + BC + BB 1)2= |BA|2 + |BC|2 + |BB 1|2 + 2BA BC + 2BA BIB 1 + 2BC BIB 1 = 4 + 4+1 + 1 10+ 2X 2X 1 X ( — 2 + 2X 2X 1X 2= 9, |就|= 3, 即卩 BD 1 的长为 3.2. A3. C 8 =9解得、 2m = — 2 或 m = 55.由已知得a + b = (0,1,2)且|a + b|= 5,则与向量a +b 方向相反 1 1的单位向量为一 5(°,1,2)= (0,-5,-5. D16. D 连接ON , T M , N 分别是对边OA , BC 的中点，二OM = -Q A , 1 Oh=2(O B + O C),OG = oM + MG = oM + 3MN = oM + 3(O~N - oM) = 30M +X 舟0^+|x ^(OB +OC) = 6O A +3O B +^OC ,二x = 6, y = z = 3.故选 D.4. D.故选D.9. B以点B为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系，设各棱长为2, 则E(0,1,0), F(0,0,1), G(2,0,2), B(0,0,0),则EF = (0, - 1,1), BC i = (2,0,2),2 i••• cos <EF, BC I〉=頁2迄=2，二〈EF, BC i>= 60° A直线EF 与BC i 所成的角为60°10. C 翻折后A, B, C, D四点构成三棱锥的体积最大时，平面ADC 丄平面BAC,设未折前正方形对角线的交点为O,则/ DBO即为BD与平面ABC所成的角，大小为45°11. CAB如右图所示，过M作MH丄面PBC于H，贝S MH // AP,「./ MPH =12. A 在平面B 内过点C 作CO 丄PQ 于O ,连接OB.又a 丄B,则OC X OB , OC X OA ,又 CA = CB ,所以△ AOC ^A BOC , 故 OA = OB.又 / BAP = 45°所以OA X OB.以O 为原点，分别以OB , OA , OC 所在直线 为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系(如图).不妨设AC = 2,由/ CAO = 30°,知OA = 3, OC = 1.在等腰直角三角 形 OAB 中，/ ABO =/ BAO = 45° 贝卩 OB = OA = 3，所以 B( 3, 0,0), A(0, 一3, 0), C(0,0,1), AB = ( .3,- , 3, 0), AC = (0,— 3, 1)，设平tt m AC = — V 3y +z = 0面ABC 的法向量为n 1 = (x , y , z),由_ _ ，取x = 1,n 1 AB = V 3x —V 3y = 0则y = 1,z =Q 3,所以n 1= (1,1,3),易知平面B 的一个法向量为n 尸(1,0,0), 则 cos < n 1, n 2>= |；||：2厂丁5：〔二中，又二面角 B — AC — P 为锐角，由此可得二面角B — AC — P 的正切值为2.13. 3a + 3b — 5c30° 二 cos45 = cos / HPB cos30 °6 ~3，cos / HPC =cos / HPB•••/ MPC= 60° 又 cos / HPC cos30解析：A 1M = 0，— 3，— ~2 ， cos <AB 1， A 1M 〉= 0，二〈AB 1， A 1M 〉= n即直线AB 1与A 1M 所成角为扌15/, 2a 2 + b 2— 2ab如图所示，取BC 的中点M ,连接EM , MF ,则EF = EM + M F = 2A B +1(a —2c) + 2(5a + 6b — 8c) = 3a + 3b — 5c.14. 扌解析：由条件知AC , BC , CG 两两垂直， 图，以C 为原点，CB ，CA ，CC i 分别为x 轴, 轴，z轴建立空间直角坐标系，则B(1,0,0),A(0, 3 0)，B i (1,0，.'6)，M 0，0,屮，几(0，3'6)，A解析：设AB= a，AD = b，A/A1 = c，则|a|= |b|= a，|c|=b ,• • AkC i = AB + B C + cC i = a + b + c ,• • |AC i |2 = (a + b + c)2 = 2a 2 + b 2 — 2ab ,「. |/AC i |= 2a 2 + b 2 — 2ab.'616可解析：如图，以A 为原点建立空间直角坐 标系，则 A(0,0,0), B(0,2a,0), C(0,2a,2a), G(a ,a,0), F(a,O,O), AG = (a , a,0), AC = (0,2a,2a),BG = (a , — a,0),设平面AGC 的一个法向量为n i = (x i ,AG n i = 0 y i,i)，由—AC n i = 0AGC 所成的角为B,则 |BG n i |=2a _^6 |BG||n i | ；2a x 3 3i7.证明：AB = (5,i ,— 7), AC = (3,4,— 8), AD = (ii,9,— 23)，设AD = X AB +yAC ,5X + 3y = ii得 x +4y = 9 ,—7X — 8y = — 23解得 X = i , y = 2.ax i + ay i = 0 2ay i + 2a = 0 ，则 x i = 1 y i = — i,故n i = (i ,— i,i).设GB 与平面 sin 0=所以AD = AB+2AC,则AD, AB, AC为共面向量，又A B,A D, AC有公共点A,因此A, B, C, D四点共面.18. 解:如图，以D为坐标原点建立空间直角坐标系，设正方体的棱长为1, 则DA = (1,0,0), CC i = (0,0,1),连接BD, B i D i，在矩形BB i D i D 中，延长DP交B1D1于H点.设DH = (m, m,1)(m>0),〈DH , DA> = 60° 则DA DH = DA|DH|cos 〈DH , DA >,可得2m= 2m2+1,得m^-^,所以DH =(承孑,1).(1) cos〈D H , CC1 > = DH C C1 = 1，所以〈D H , CC1 > = 45°,即IDH11CC1I 72DP与CC1所成的角为45°DH DC(2) 平面AA1D1D 的一个法向量为DC = (0,1,0), co〈DH , DC> = ——|DH||DC| 1=2,所以〈DH , DC > = 60°故DP与平面AA1D1D所成的角为30°19. (1)证明：如图所示，以D为原点，DA,D C,D D I所在直线分别为x轴、y轴、z轴，建立空间直角坐标系.设正方体的棱长为a,则A(a,O,O), B(a, a,0)，C(0，a,0),A i(a,0，a)，C i(0，a，a)，设E(0，a，e)，则A i E=(—a，a，e —a)，BD = (—a，—a,0)，A i E BD =—a (—a) + a (-a) + (e- a) 0=0，A A i E丄BD，贝A i E丄BD.(2)解：当E为CC i的中点时，平面A i BD丄平面EBD.由题意可得DE=BE，••• E0 丄BD.同理A i O丄BD，/ A i OE为二面角A i - BD —E的平面角，EO ==^23a，A i O = ^Ja2+^|2a2 = ^a，A i E2= ^/2a)2+ p 29 9=4a2，二EO2+ A i O2= 4a2= A i E2，：/ A i OE = 90° •平面A i BD 丄平面EBD.20 .解：T四边形PDCE是矩形，且平面PDCE丄平面ABCD，平面PDCE A平面ABCD = CD，二PD 丄平面ABCD，贝S PD丄AD，PD丄DC，又/ ADC =90° • PD，AD，DC两两垂直.以D为原点，分别以DA，DC，DP所在直线为x,y,z 轴建立如图所示的空间直角坐标系.由已知，得D(0,0,0),A(a,O,O), P(0,0, 2a), E(0,2a , 2a), C(0,2a,0), B(a , a,0).(1) T M 为 PA 的中点，二 M(|, 0,今),则AC = (— a,2a,0), DM = (2, 0,手)，DE = (0,2a , 2a).设平面MDE 的法向量为m = (x , y , z),m DE = 0 2y + 2z = 0取 m = (2,1,— 2).而AC m = (— a) 2 + 2a + 0= 0,且 AC?平面 MDE ,••• AC //平面 MDE.⑵平面 FAD 的一个法向量 n i = (0,1,0), PC = (0,2a ,—2a), PB = (a , a , — 2a).设平面PBC 的法向量为 七=(x °, y °, %),则有取 n 2 = (1,1, 2).设平面PAD 与PBC 所成锐二面角的大小为0,则有..n 1 n 2 . 1cos = |cos 〈n 1, n 2〉ITjn^= 2, m DM = 0x + 2z =0由题意得则0= 60°•平面PAD与平面PBC所成锐二面角的大小为60°21 . (1)证明：T PA丄平面ABCD, AB?平面ABCD,••• FA X AB.v AB 丄AD , AD A FA = A 」.AB 丄平面 FAD.v PD?平面 FAD ,• AB 丄PD.v BM 丄 PD , AB A BM = B ,. PD 丄平面 ABM.v AM?平面 ABM ,. AM 丄 PD.⑵解：如右图所示，以点A 为坐标原点，AB , AD , AP 所在的直线分别为x 轴、y 轴、z 轴，建立空间直角坐标系 Axyz ，则 A(0,0,0)，P(0,0,2)，B(1,0,0)，C(1,2,0),D(0,2,0), M(0,1,1)，贝SAC = (1,2,0)，AM = (0,1,1)，CD = (-1,0,0).设平面ACM 的一个法向量为n = (x , y , z),由n 丄AC , n 丄AM 可得 平面ACM 所成的角为a,贝卩sin a= CD n = 乂6，二COS a= W3，.・.直线ICDII n| 3 3CD 与平面ACM 所成的角的余弦值为 §.22. (1)证明：连接BD ，因为M , N 分别为PB , PD 的中点，所以MN 是厶PBD 的中位线，所以MN // BD.又因为MN?平面ABCD ,所以MN //平 面 ABCD.x + 2y = 0,y +z = 0, 令 z = 1,得 x = 2, y =- 1,. n = (2,- 1,1).设直线 CD 与(2)解法1:连接AC 交BD 于0,以0为原点，OC, OD 所在直线为x 轴、y 轴，建立空间直角坐标系 Oxyz,如图所示.在菱形ABCD 中，/ BAD =120° 得 AC = AB = 2书，BD = ^3AB = 6,又因为 PA 丄平面 ABCD ，所 以FA X AC ,在直角三角形 FAC 中，AC = 2,3, FA = 2 6, AQ 丄PC ,得 QC = 2, PQ = 4•由此知各点坐标如下:A(- 3, 0,0), B(0,— 3,0), C( 3, 0,0), D(0,3,0), P(— 3, 0,2 6), M -于，-1, 6 , N — f, |, .6 , Q -f, 0,響•设m = (x i , y i , z i )为平面AMN 的一个法向量，AM = 于，—3, 6 , AN =彊 2 6 ,由 m 丄 AM , m 丄AN 知 y 2, Z 2)为平面 QMN 的一个法向量， QM = -563,— 2, , QN =取 z i = — 1,得 m = (2 2, 0,— 1).设 n = (X 2,5/3 3丄0一—T x2—2y2+T Z2= 0,n丄QN知—，-5/3 3 卡门帝X2 + 刃2 + -^2= °MN —Q的平面角的余弦值为解法2:如图所示，在菱形ABCD中，/ BAD = 120°得AC= AB = BC= CD = DA，BD = ,'3AB.又因为PA丄平面ABCD，所以PA X AB, FA X AC, FA X AD，所以FB= FC= FD，所以△ FBC^^ PDC.而M , N 分别是1 1PB, PD的中点，所以MQ = NQ,且AM = 2PB = 2PD= AN.取线段MN的中点E,连接AE, EQ,贝S AE X MN , QE X MN,所以/ AEQ为二面角A —MN —Q 的平面角，由AB= 2.3 PA= 2：6,故在△ AMN 中，AM = AN1 3X/3=3, MN =尹D = 3,得AE=〒.在直角三角形PAC中，AQ X PC,得AQ=2 2, QC= 2, PQ= 4,在厶PBC 中，cos/ BPC= PB［黑/' '得MQ = *PM2+ PQ2—2PM PQcos Z BPC= '5.在等腰三角形MQN 中，MQ =NQ= ：5, MN= 3,得QE = \MQ2—ME2=,11 , 亠3 3“ 4 “2 .在△ AEQ 中，AE=〒,QE= 2, AQ3于•由n丄QM,取Z2=5,得n = (2 '2, 0,5).故cos〈m,n —归*|m||n|=药，所以一面角 A —所以二面=6, P4玄2AE QE=2 2 得cos/ AEQ = AE"：严二AQ =雰,33 33。
高中数学选修2-1第三章《空间向量与立体几何》单元质量测评（含答案）一、选择题：本大题共12小题，每小题5分，共60分．1．若平面α外直线l 的方向向量为a ，平面α的法向量为n ，则能使l ∥α的是( )A ．a ＝(1,0,1)，n ＝(－2,0,0)B ．a ＝(1,3,5)，n ＝(1,0,1)C ．a ＝(0,2,1)，n ＝(－1,0，－1)D ．a ＝(1，－1,3)，n ＝(0,3,1)2．已知A (1,2，－1)，B 为A 关于平面xOy 的对称点，C 为B 关于y 轴的对称点，则BC →＝( )A ．(－2,0，－2)B ．(2,0,2)C ．(－1,0，－1)D ．(0，－2，－2) 3．设(43)(32)a b ==，，，，，x z ，且∥a b ，则xz 等于（ ） Ａ．4-Ｂ．9Ｃ．9-Ｄ．6494．若向量(12)λ=，，a 与(212)=-，，b 的夹角的余弦值为89，则λ=（ ）Ａ．2 Ｂ．2- Ｃ．2-或255Ｄ．2或255-5．已知A (2，－4，－1)，B (－1,5,1)，C (3，－4,1)，D (0,0,0)，令a ＝CA →，b ＝CB →，则a ＋b 为( )A ．(5，－9,2)B ．(－5,9，－2)C ．(5,9，－2)D ．(5，－9，－2) 6．已知a ＝(1,2，－y )，b ＝(x,1,2)，且(a ＋2b )∥(2a －b )，则( )A ．x ＝13，y ＝1B ．x ＝12，y ＝－4C ．x ＝2，y ＝－14 D ．x ＝1，y ＝－17．已知向量i ，j ，k 是一组单位正交向量，m ＝8j ＋3k ，n ＝－i ＋5j －4k ，则m ·n ＝( )A ．7B ．－20C ．28D ．118．已知a ＝(－1，－5，－2)，b ＝(x,2，x ＋2)，若a ⊥b ，则x 的值为( )A ．0B ．－143C ．－6D ．±69．如图，在四面体ABCD 中，已知AB →＝b ，AD →＝a ，AC →＝c ，BE →＝12EC →，则DE →＝( )A ．－a ＋23b ＋13cB ．a ＋23b ＋13cC ．a －23b ＋13c D.23a －b ＋13c10．如图所示，直三棱柱ABC —A 1B 1C 1中，AA 1＝AB ＝AC ，AB ⊥AC ，M 是CC 1的中点，Q 是BC 的中点，P 是A 1B 1的中点，则直线PQ 与AM 所成的角为( )A.π6B.π4C.π3D.π211．已知a ＝（2，－1，3），b ＝（－1，4，－2），c ＝（7，5，λ），若a 、b 、c 三向量共 面，则实数λ等于 （ ）A ．627B ．637C ．647D ．65712. 已知△ABC 的三个顶点为A （3，3，2），B （4，－3，7），C （0，5，1），则BC 边上的 中线长为 （ ）A ．2B ．3C ．4D ．5 二、填空题：本大题共4小题，每小题5分，共20分．13．在棱长为a 的正方体1111ABCD A B C D 中，向量1BA 与向量AC 所成的角为 ． 14．在长方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，若E 为矩形ABCD 的中心，设A 1E →＝A 1A →＋xA 1B 1→＋yA 1D 1→，则x ＝________，y ＝________.15．已知a ＝(3,1,5)，b ＝(1,2，－3)，向量c 与z 轴垂直，且满足a ·c ＝9，b ·c ＝－4，则c ＝________.16．在棱长为a 的正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，M 是AA 1的中点，则A 1到平面MBD 的距离为________． 三、解答题：17．(本小题满分10分)已知空间三点A (－2,0,2)，B (－1，1,2)，C (－3,0,4)，设a ＝AB →，b ＝AC →.(1)求a 与b 的夹角θ的余弦值；(2)若向量k a ＋b 与k a －2b 互相垂直，求k 的值．18．(本小题10分)如图所示，已知几何体ABCD －A 1B 1C 1D 1是平行六面体．化简12AA 1→＋BC →＋23AB →，并在图上标出结果；19．(本小题满分10分)如图，在直棱柱ABCD －A 1B 1C 1D 1中，AD ∥BC ，∠BAD ＝90°，AC ⊥BD ，BC ＝1，AD ＝AA 1＝3. 证明：AC ⊥B 1D ；20．(本小题满分10分) 已知正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1，求证：AD 1∥平面BDC 1. 参考答案 一．选择题二．填空题13． 120° 14． 12 12 15． (225，－215，0) 16．66a三、解答题：17． 解 a ＝AB →＝(－1,1,2)－(－2,0,2)＝(1,1,0)，b ＝AC →＝(－3,0,4)－(－2,0,2)＝(－1,0,2)．(1)cos θ＝a ·b |a ||b |＝－1＋0＋02×5＝－1010， ∴a 与b 的夹角θ的余弦值为－1010. (2)k a ＋b ＝(k ，k,0)＋(－1,0,2)＝(k －1，k,2)，k a －2b ＝(k ，k,0)－(－2,0,4)＝(k ＋2，k ，－4)，∴(k －1，k,2)·(k ＋2，k ，－4)＝(k －1)·(k ＋2)＋k 2－8＝0，即2k 2＋k －10＝0，∴k ＝－52或k ＝2.18． 解 如图所示，取AA 1的中点E ，在D 1C 1上取一点F ，使得D 1F ＝2FC 1，连接EF ，则 12AA 1→＋BC →＋23AB → ＝EA 1→＋A 1D 1→＋D 1F →＝EF →.19． 解 由题意易知，AB ，AD ，AA 1两两垂直．如图，以A 为坐标原点，AB ，AD ，AA 1所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系．设AB ＝t ，则相关各点的坐标为A (0,0,0)，B (t,0,0)，B 1(t,0,3)，C (t,1,0)，C 1(t,1,3)，D (0,3,0)，D 1(0,3,3)．从而B 1D →＝(－t,3，－3)，AC →＝(t,1,0)，BD →＝(－t,3,0)．因为AC ⊥BD ，所以AC →·BD →＝－t 2＋3＋0＝0.解得t ＝3或t ＝－3(舍去)．于是B 1D →＝(－3，3，－3)，AC →＝(3，1,0)．因为AC →·B 1D →＝－3＋3＋0＝0，所以AC →⊥B 1D →，即AC ⊥B 1D .20．证明 以D 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系Dxyz .设正方体的棱长为1，则有D (0,0,0)，A (1,0,0)，D 1(0,0,1)，A 1(1,0,1)，C (0,1,0)，B (1,1,0)，C 1(0,1,1)，AD 1→＝(－1,0,1)，设n ＝(x ，y ，z )为平面BDC 1的法向量， 则n ⊥DB →，n ⊥DC 1→，所以⎩⎪⎨⎪⎧x ，y ，z ，1，＝0，x ，y ，z，1，＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧x ＋y ＝0，y ＋z ＝0，令x ＝1，则n ＝(1，－1,1)，n ·AD 1→＝(1，－1,1)·(－1,0,1)＝0，故n ⊥AD 1→， 又AD 1⊄平面BDC 1， 所以AD 1∥平面BDC 1.。
2018-2019高中数学选修2-1第三章训练卷空间向量与立体几何（A ）解析版一、选择题(本大题共12个小题，每小题5分，共60分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的)1．如图所示，在平行六面体1111ABCD A B C D -中，M 为11A C 与11B D 的交点．若AB =uu u v a ，AD =uuu v b ，1AA =uuu v c ，则下列向量中与BM uuu v相等的向量是（ ）A ．c b 21a 21-++B ．1122++a b cC ．1122--+a b cD ．1122-+a b c【答案】A【解析】平行六面体的性质可得：则()11111222BM BA AA A M =++=-+++=-++u u u v u u v u u u v u u u u v a c a b a b c ，故选A ．2．已知()5,6,1=-a ，()6,5,0=b ，则a 与b （ ） A ．垂直 B ．不垂直也不平行 C ．平行且同向D ．平行且反向【答案】A3．已知()2,1,3=-a ，()4,2,x =-b ，()1,,2x =-c ，若()+⊥a b c ，则x 等于（ ） A ．4 B ．4- C ．12D ．6-【答案】B【解析】()2,1,3x +=-+a b ，由()+⊥a b c ，∴()0+⋅=a b c ． ∴()2230x x --++=，得4x =-．故选B ．4．若()1,,2λ=a ，()2,1,2=-b ，且a ，b 的夹角的余弦值为89，则λ等于（ ）A ．2B ．2-C ．2-或255D ．2或255-【答案】C【解析】824639λλ⋅=-+=-=⨯a b ．解得2λ=-或255．故选C ．5．已知空间四边形ABCD 每条边和对角线长都等于a ，点E 、F 、G 分别是AB 、AD 、DC 的中点，则2a 是下列哪个选项的计算结果（ ） A ．2BC CA ⋅uu u v uu vB ．2AD DB ⋅uuu v uu u vC ．2FG AC ⋅uu u v uuu vD ．2EF CB ⋅uu u v uu v【答案】C【解析】22BC CA a ⋅=-uu u v uu v ，A 错；22AD DB a ⋅=-u u u v u u u v，B 错；2122EF CB a ⋅=-uu u v uu v ，D 错；只有C 对．故选C ．6．若(),5,21A x x x --，()1,2,2B x x +-，当AB uu u v取最小值时，x 的值等于（ ）A ．19B ．87-C ．87D ．1914【答案】C【解析】()1,23,33AB x x x =---+uu u v，则AB =u u u v故当87x =时，AB uu u v 取最小值，故选C ．7．已知ABCD ，ABEF 是边长为1的正方形，FA ⊥平面ABCD ，则异面直线AC 与EF 所成的角为（ ） A ．30° B ．45°C ．60°D ．90°【答案】B 【解析】如图，由于EF AB ∥且45BAC ∠=︒，所以异面直线AC 与EF 所成的角为45°，故选B ．8．如图所示，正方体ABCD A B C D -''''中，M 是AB 的中点，则sin ,DB CM uu u v uuu v的值为（ ）A ．12B C D 【答案】B【解析】以DA ，DC ，DD '所在的直线分别为x ，y ，z 轴建立直角坐标系O xyz -， 设正方体棱长为1，则()0,0,0D ，()1,1,1B '，()0,1,0C ，11,,02M ⎛⎫⎪⎝⎭，则()1,1,1DB =u u u v ，11,,02CM ⎛⎫=- ⎪⎝⎭uuu v ，cos ,DB CM =uu u v uuu v ，则sin ,DB CM =uu u v uuu vB ． 9．如图，1AB AC BD ===，AB ⊂面M ，AC ⊥面M ，BD AB ⊥，BD 与面M 成30°角，则C 、D 间的距离为（ ）A ．1B ．2CD 【答案】C 【解析】22222222CD CA AB BD CA AB BD CA AB AB BD CA BD=++=+++⋅+⋅+⋅uu u v uu v uu u v uu u v uu v uu u v uu u v uu v uu u v uu u v uu u v uu v uu u v11100211cos1202=+++++⨯⨯⨯︒=．∴|CD uu u vC ．10．在以下命题中，不正确的个数为（ ） ①-=+a b a b 是a 、b 共线的充要条件； ②若∥a b ，则存在唯一的实数λ，使λ=a b ；③对空间任意一点O 和不共线的三点A 、B 、C ，若22OP OA OB OC =--u u u v u u v u u u v u u u v，则P 、A 、B 、C 四点共面；④若{},,a b c 为空间的一个基底，则{},,+++a b b c c a 构成空间的另一个基底； ⑤()⋅⋅=⋅⋅a b c a b c ．A ．2B ．3C ．4D ．5【答案】C【解析】①错，应为充分不必要条件．②错，应强调0b ≠．③错，∵2211--≠． ⑤错，由数量积的运算性质判别．故选C ．11．在三棱锥P －ABC 中，△ABC 为等边三角形，PA ⊥平面ABC ，且PA ＝AB ， 则二面角A －PB －C 的平面角的正切值为（ ） ABCD【答案】A【解析】设PA ＝AB ＝2，建立空间直角坐标系， 平面PAB 的一个法向量是()1,0,0=m ，平面PBC的一个法向量是⎫=⎪⎪⎝⎭n ．则cos ,⋅==⋅m n m n m ntan ,=m n A ． 12．如图，四棱锥S －ABCD 的底面为正方形，SD ⊥底面ABCD ，则下列结论中不正确的是（ ）A ．AC ⊥SB B ．AB ∥平面SCDC ．SA 与平面SBD 所成的角等于SC 与平面SBD 所成的角 D ．AB 与SC 所成的角等于DC 与SA 所成的角 【答案】D【解析】∵四边形ABCD 是正方形，∴AC ⊥BD ． 又∵SD ⊥底面ABCD ，∴SD ⊥AC ． 其中SD∩BD ＝D ，∴AC ⊥面SDB ，从而AC ⊥SB ．故A 正确；易知B 正确； 设AC 与DB 交于O 点，连结SO ．则SA 与平面SBD 所成的角为∠ASO ，SC 与平面SBD 所成的角为∠CSO ， 又OA ＝OC ，SA ＝SC ， ∴∠ASO ＝∠CSO ．故C 正确；由排除法可知选D ．二、填空题（本大题共4个小题，每小题5分，共20分，把正确答案填在题中横线上）13．已知直线l 的方向向量为()1,1,2-v =，平面α的法向量()2,1,1--u =，则l 与α的夹角为________． 【答案】30°【解析】∵1cos 2=v,u ，∴60=︒v,u ．∴l 与α的夹角为30°． 14．如图所示，在空间四边形ABCD 中，AC 和BD 为对角线，G 为△ABC 的重心，E 是BD 上一点，BE ＝3ED ，以{},,AB AC AD uu u v uuu v uuu v 为基底，则GE =uu u v________．【答案】1131234AB AC AD --+u uu v u u u v u u u v 【解析】2134GE GA AD DE AM AD DB =++=-++u u u v u u v u u u v u u u v u u u v u u uv u u u v()()2111133241234AB AC AD AB AD AB AC AD =-⨯+++-=--+u u u v u u u v u u u v u u u v u u u v u uu v u u u v u u u v ，故1131234GE AB AC AD =--+u u u v u uu v u u u v u u u v ．15．如图所示，在三棱锥P －ABC 中，PA ＝PB ＝PC ＝BC ，且∠BAC ＝90°，则PA 与底面ABC 所成的角为________．【答案】60°【解析】由于PA ＝PB ＝PC ，故P 在底面ABC 上的射影为△ABC 外心， 由于△ABC 为直角三角形，不妨设OB ＝OC ， 所以OP ⊥面ABC ，∠PAO 为所求角， 不妨设BC ＝1，则OA ＝12，cos ∠PAO ＝12，所以∠PAO ＝60°． 16．已知点E 、F 分别在正方体1111ABCD A B C D -的棱1BB 、1CC 上，且12B E EB =，12CF FC =，则面AEF 与面ABC 所成的二面角的正切值等于________．【解析】延长FE 、CB 相交于点G ，连结AG ，设正方体的棱长为3，则GB ＝BC ＝3，作BH ⊥AG 于H ，连结EH ， 则∠EHB 为所求二面角的平面角．∵BH =，EB ＝1，∴tan EB EHB BH ∠==．三、解答题(本大题共6个大题，共70分，解答应写出文字说明，证明过程或演算步骤) 17．（10分）已知向量()1,3,2=-a ，()2,1,1=-b ，点()3,1,4A --，()2,2,2B --． （1）求2+a b ；（2）在直线AB 上，是否存在一点E ，使得OE ⊥uu u vb ？(O 为原点)【答案】（1）；（2）存在，此时E 点坐标为6142,,555E ⎛⎫-- ⎪⎝⎭．【解析】（1）()()()22,6,42,1,10,5,5+=-+-=-a b ，故2+==a b（2）()()()3,1,41,1,23,1,42OE OA AE OA t AB t t t t =+=+=--+--=-+---u u u v u u v u u u v u u v u u u v，若OE ⊥uu u v b ，则0OE ⋅uu u v b =，所以()()()231420t t t --++--+-=，解得95t =，因此存在点E ，使得OE ⊥uu u v b ，此时E 点坐标为6142,,555E ⎛⎫-- ⎪⎝⎭．18．（12分）如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AC ＝3，BC ＝4，AB ＝5，14AA =，点D 是AB 的中点．求证：（1）1AC BC ⊥；（2）1AC ∥平面1CDB ． 【答案】（1）见解析；（2）见解析．【解析】（1）∵直三棱柱111ABC A B C -底面三边长AC ＝3，BC ＝4，AB ＝5， 且1C C 垂直底面．∴AC 、BC 、1C C 两两垂直． 如图，以C 为坐标原点，直线CA ，CB ，1C C 分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系．则()0,0,0C ，()3,0,0A ，()10,0,4C ，()0,4,0B ，()10,4,4B ，3,2,02D ⎛⎫⎪⎝⎭．()3,0,0AC =-u u u v ，()10,4,4BC =-u u u v ，∴10AC BC ⋅=u u u v u u u v，∴1AC BC ⊥．（2）设1CB 与1C B 的交点为E ，连接DE ，则()0,2,2E ，∵3,0,22DE ⎛⎫=- ⎪⎝⎭uuu v ，()13,0,4AC =-u u u v，∴112DE AC =u u u v u u u v ．∴1DE AC ∥．∵DE ⊂平面1CDB ，1AC ⊄平面1CDB ，∴1AC ∥平面1CDB ．19．（12分）已知M 为长方体1AC 的棱BC 的中点，点P 在长方体1AC 的面11CC D D 内，且11PM BB D D ∥，试探讨点P 的确切位置．【答案】点P 在面11DCC D 的DC 的中垂线EF 上．【解析】以DA 、DC 、1DD 为x 、y 、z 轴，如图建立空间直角坐标系，设DA a =，DC b =，1DD c =．根据题意可设(),0,0A a ，,(,0)B a b ，10,()0,D c ，,(0,)P y z ，则1,,02M a b ⎛⎫⎪⎝⎭．又11PM BB D D ∥，根据空间向量基本定理，必存在实数对(),m n ，使得1PM mDB nDD =+u u u v u u u v u u u u v ，即()1,,,,2a b y z ma mb nc ⎛⎫--= ⎪⎝⎭，等价于112212,m a ma b y mb y b z nc z nc n ⎧=⎧⎪=⎪⎪⎪⎪-=⇔=⎨⎨⎪⎪-==-∈⎪⎪⎩⎪⎩R ，则点10,,2P b nc ⎛⎫- ⎪⎝⎭．∴点P 在面11DCC D 的DC 的中垂线EF 上．20．（12分）在正棱锥P －ABC 中，三条侧棱两两互相垂直，G 是△PAB 的重心，E ，F 分别是BC ，PB 上的点，且BE ∶EC ＝PF ∶FB ＝1∶2．求证： （1）平面GEF ⊥平面PBC ； （2）EG ⊥PG ，EG ⊥BC ．【答案】（1）见解析；（2）见解析．【解析】（1）以三棱锥的顶点P 为原点，以PA 、PB 、PC 所在的直线分别为x 轴、y 轴、z 轴，建立空间直角坐标系．令PA ＝PB ＝PC ＝3，则A(3,0,0)，B(0,3,0)，C(0,0,3)，E(0,2,1)，F(0,1,0)，G(1,1,0)，P(0,0,0)． 于是()3,0,0PA =u u v ，()1,0,0FG =u u u v． 故3PA FG =u u v u u u v．∴PA FG ∥．又PA ⊥平面PBC ，∴FG ⊥平面PBC ． 又FG ⊂平面EFG ，∴平面EFG ⊥平面PBC ．（2）∵()1,1,1EG =--u u u v ，()1,1,0PG =u u u v ，()0,3,3BC =-u u u v． ∴110EG PG ⋅=-=u u u v u u u v ，330EG BC ⋅=-=u u u v u u u v．∴EG ⊥PG ，EG ⊥BC ．21．（12分）如图，在三棱柱111ABC A B C -中，H 是正方形11AA B B 的中心，1AA =1C H ⊥平面11AA B B ，且1C H =（1）求异面直线AC 与11A B 所成角的余弦值； （2）求二面角111A A C B --的正弦值；（3）设N 为棱11B C 的中点，点M 在平面11AA B B 内，且MN ⊥平面111A B C ，求线段BM 的长．【答案】（1；（2；（3．【解析】如图所示，建立空间直角坐标系，点B 为坐标原点．依题意得()A ，()0,0,0B ，C，()1A ，()10,B ，1C ．（1）易得(AC =uuu v，()11A B =-uuuu v ，于是111111cos ,AC A B AC A B AC A B ⋅===⋅u u u v u u u u v u u u v u u u u v u u u v u u u u v ． 所以异面直线AC 与11A B． （2）易知()1AA =uuu v，(11A C =uuuu v．设平面11AA C 的法向量(),,x y z =m ，则11100A C AA ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩uuuu vuuu vm m，即00⎧-=⎪⎨=⎪⎩，不妨令x ==m ，同样地，设平面111A B C 的法向量(),,x y z =n ，则111100A C A B ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩uuuu vuuu u vn n ，即0⎧-=⎪⎨-=⎪⎩，不妨令y =(=n ，于是2cos ,7⋅===⋅m n m n m n，从而sin ,=m n ． 所以二面角111A A C B --． （3）由N 为棱11B C的中点，得N ⎝⎭． 设(),,0M a b，则MN a b =-⎝⎭uuu v ． 由MN ⊥平面111A B C ，得11110MN A B MN A C ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩uuu v uuu u v uuu v uuuu v，即(((00a a b ⎧⎫⋅-=⎪⎪⎪⎪⎝⎭⎨⎫⎫⎪⋅+-⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎩，解得a b ⎧=⎪⎪⎨⎪⎪⎩，故M ⎫⎪⎪⎝⎭．因此BM ⎫=⎪⎪⎝⎭uuu v ， 所以线段BM的长BM =uuu v 22．（12分）如图，在矩形ABCD 中，点E ，F 分别在线段AB ，AD 上，AE ＝EB ＝AF ＝23FD ＝4．沿直线EF 将△AEF 翻折成△A′EF ，使平面A′EF ⊥平面BEF ．（1）求二面角A′－FD －C 的余弦值；（2）点M ，N 分别在线段FD ，BC 上，若沿直线MN 将四边形MNCD 向上翻折，使C 与A′重合，求线段FM 的长．【答案】（1（2）214． 【解析】法一：（1）取线段EF 的中点H ，连结A′H ．因为A′E ＝A′F 及H 是EF 的中点，所以A′H ⊥EF ．又因为平面A′EF ⊥平面BEF ，及A′H ⊂平面A′EF ，所以A′H ⊥平面BEF ．如图建立空间直角坐标系A －xyz ，则(2,2,A '，()10,8,0C ，()4,0,0F ，()10,0,0D ，故(2,2,FA '=-uuu v ，()6,0,0FD =u u u v ． 设(),,x y z =n 为平面A′FD 的一个法向量，所以22060x y x ⎧-++=⎪⎨=⎪⎩，取z =(0,=-n ． 又平面BEF 的一个法向量()0,0,1m =．故cos ,⋅==⋅n m n m n m ． （2）设FM x =，则()4,0,0M x +，因为翻折后，C 与A′重合，所以CM ＝A′M ，故()()(22222268022x x -++=--++，得214x =， 经检验，此时点N 在线段BC 上，所以214FM =． 法二：（1）取线段EF 的中点H ，AF 的中点G ，连结A′G ，A′H ，GH ．因为A′E ＝A′F 及H 是EF 的中点，所以A′H ⊥EF ，又因为平面A′EF ⊥平面BEF ，所以A′H ⊥平面BEF ，又AF ⊂平面BEF ，故A′H ⊥AF ，又因为G ，H 是AF ，EF 的中点，易知GH ∥AB ，所以GH ⊥AF ，于是AF ⊥面A′GH ，所以∠A′GH 为二面角A′－DF －C 的平面角，在Rt △A′GH 中，A H '=2GH =，A G '=所以cos A GH ∠'=．故二面角A′－DF －C （2）设FM x =，因为翻折后，C 与A′重合，所以CM ＝A′M ， 而()2222286CM DC DM x =+=+-，222222A M A H MH A H MG GH '='+='++()(()22222268022x x =-++=+++，， 得214x =，经检验，此时点N 在线段BC 上， 所以214FM =．。
