高二数学选修2-1空间向量试卷与答案

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数学选修2-1空间向量与立体几何练习题含答案

23.已知向量，，分别平行于轴，轴，轴，他们的坐标各有什么特点？
24.已知向量，，若向量与共线，则 ________；若，则 ________．
25.在正方体中：
（1）分别给出直线，的一个方向向量；
（2）分别给出平面，平面，平面的一个法向量．
26.如图，边长为的正方形中，，分别是边，上的点， .将，分别沿着，折起，使，重合于点，且二面角为直二面角.
B
【考点】
平面的法向量
向量方法证明线、面的位置关系定理
直线的方向向量
【解析】
由已知可得：，因此，再利用线面垂直的判定即可得出．
【解答】
解：∵直线的方向向量为，
平面的法向量，，
∴ ，
∴ ．
故选．
二、填空题（本题共计 10 小题，每题 3 分，共计30分）
11.
【答案】
【考点】
空间直线的向量参数方程
直线的方向向量
【解析】
设直线的一个方向向量为，运用向量垂直的条件：数量积为，化简可得所求向量．
【解答】
解：设直线的一个方向向量为，
由两平面与分别以与为其法向量，
可得，，
可得，，
可设，则，，
可得．
故答案为： .
16.
【答案】
【考点】
用空间向量求平面间的夹角
数学选修2-1空间向量与立体几何练习题含答案
学校：__________ 班级：__________ 姓名：__________ 考号：__________
1.已知是空间的一组单位正交基底，而是空间的另一组基底．若向量在基底下的坐标为，则向量在基底下的坐标为（）

高中数学选修2-1 单元测试：空间向量及其应用word版含答案

空间向量及其应用单元测试1.(2017·江苏高考)如图，在平行六面体ABCD A 1B 1C 1D 1中，AA 1⊥平面ABCD ，且AB ＝AD ＝2，AA 1＝3，∠BAD ＝120°.(1)求异面直线A 1B 与AC 1所成角的余弦值；(2)求二面角B A 1D A 的正弦值．解：在平面ABCD 内，过点A 作AE ⊥AD ，交BC 于点E .因为AA 1⊥平面ABCD ，所以AA 1⊥AE ，AA 1⊥AD .如图，以{AE ―→，AD ―→，AA 1―→}为正交基底，建立空间直角坐标系A xy .因为AB ＝AD ＝2， AA 1＝3，∠BAD ＝120°，则A (0,0,0)，B (3，－1,0)，D (0,2,0)，E (3，0,0)，A 1(0，0，3)，C 1(3，1，3)． (1)A 1B ―→＝(3，－1，－3)，AC 1―→＝(3，1，3)．则cos 〈A 1B ―→，AC 1―→〉＝A 1B ―→·AC 1―→|A 1B ―→||AC 1―→|＝3－1－37×7＝－17. 因此异面直线A 1B 与AC 1所成角的余弦值为17. (2)可知平面A 1DA 的一个法向量为AE ―→＝(3，0,0)．设m ＝(x ，y ， )为平面BA 1D 的一个法向量，又A 1B ―→＝(3，－1，－3)，BD ―→＝(－3，3,0)，则⎩⎪⎨⎪⎧ m ·A 1B ―→＝0，m ·BD ―→＝0，即⎩⎨⎧ 3x －y －3z ＝0，－3x ＋3y ＝0.不妨取x ＝3，则y ＝3，＝2，所以m ＝(3，3，2)为平面BA 1D 的一个法向量，从而cos 〈AE ―→，m 〉＝AE ―→·m |AE ―→||m |＝333×4＝34. 设二面角B A 1D A 的大小为θ，则|cos θ|＝34.因为θ∈[0，π]，所以sin θ＝1－cos 2θ＝74. 因此二面角B A 1D A 的正弦值为74. 2．(2017·北京高考)如图，在四棱锥P ABCD 中，底面ABCD 为正方形，平面PAD ⊥平面ABCD ，点M 在线段PB 上，PD ∥平面MAC ，PA ＝PD ＝6，AB ＝4.(1)求证：M 为PB 的中点；(2)求二面角B PD A 的大小；(3)求直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值．解：(1)证明：如图，设AC ，BD 的交点为E ，连接ME .因为PD ∥平面MAC ，平面MAC ∩平面PDB ＝ME ，所以PD ∥ME .因为底面ABCD 是正方形，所以E 为BD 的中点．所以M 为PB 的中点．(2)取AD 的中点O ，连接OP ，OE .因为PA ＝PD ，所以OP ⊥AD .又因为平面PAD ⊥平面ABCD ，平面PAD ∩平面ABCD ＝AD ，OP ⊂平面PAD ，所以OP ⊥平面ABCD .因为OE ⊂平面ABCD ，所以OP ⊥OE .因为底面ABCD 是正方形，所以OE ⊥AD .以O 为原点，以OD ―→，OE ―→，OP ―→为x 轴，y 轴，轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系O xy ，则P (0,0，2)，D (2,0,0)，B (－2,4,0)，BD ―→＝(4，－4,0)，PD ―→＝(2,0，－2)．设平面BDP 的一个法向量为n ＝(x ，y ， )，则⎩⎪⎨⎪⎧ n ·BD ―→＝0，n ·PD ―→＝0，即⎩⎨⎧ 4x －4y ＝0，2x －2z ＝0.令x ＝1，得y ＝1，＝ 2.于是n ＝(1,1，2)．又平面PAD 的一个法向量为p ＝(0,1,0)，所以cos 〈n ，p 〉＝n ·p |n ||p |＝12.由题知二面角B PD A 为锐角，所以二面角B PD A 的大小为60°.(3)由题意知M ⎝ ⎛⎭⎪⎫－1，2，22，C (2,4,0)，则MC ―→＝⎝⎛⎭⎪⎫3，2，－22. 设直线MC 与平面BDP 所成角为α，则sin α＝|cos 〈n ，MC ―→〉|＝|n ·MC ―→||n ||MC ―→|＝269. 所以直线MC 与平面BDP 所成角的正弦值为269. 3.(2017·山东高考)如图，几何体是圆柱的一部分，它是由矩形ABCD (及其内部)以AB 边所在直线为旋转轴旋转120°得到的，G 是DF 的中点．(1)设P 是CE 上的一点，且AP ⊥BE ，求∠CBP 的大小；(2)当AB ＝3，AD ＝2时，求二面角E AG C 的大小．解：(1)因为AP ⊥BE ，AB ⊥BE ， AB ，AP ⊂平面ABP ，AB ∩AP ＝A ，所以BE ⊥平面ABP .又BP ⊂平面ABP ，所以BE ⊥BP .又∠EBC ＝120°，所以∠CBP ＝30°.(2)以B 为坐标原点，分别以BE ，BP ，BA 所在的直线为x 轴，y 轴，轴，建立如图所示的空间直角坐标系．由题意得A (0,0,3)，E (2,0,0)，G (1，3，3)，C (－1，3，0)，故AE ―→＝(2,0，－3)，AG ―→＝(1，3，0)，CG ―→＝(2,0,3)，设m ＝(x 1，y 1， 1)是平面AEG 的一个法向量．由⎩⎪⎨⎪⎧m ·AE ―→＝0，m ·AG ―→＝0，可得⎩⎨⎧ 2x 1－3z 1＝0，x 1＋3y 1＝0. 取 1＝2，可得平面AEG 的一个法向量m ＝(3，－3，2)．设n ＝(x 2，y 2， 2)是平面ACG 的一个法向量．由⎩⎪⎨⎪⎧ n ·AG ―→＝0，n ·CG ―→＝0，可得⎩⎨⎧ x 2＋3y 2＝0，2x 2＋3z 2＝0.取 2＝－2，可得平面ACG 的一个法向量n ＝(3，－3，－2)．所以cos 〈m ，n 〉＝m ·n |m |·|n |＝9＋3－44×4＝12. 由图知二面角E AG C 为锐角，故所求二面角E AG C 的大小为60°.4．(2016·天津高考)如图，正方形ABCD 的中心为O ，四边形OBEF 为矩形，平面OBEF ⊥平面ABCD ，点G 为AB 的中点，AB ＝BE ＝2.(1)求证：EG ∥平面ADF ；(2)求二面角O EF C 的正弦值；(3)设H 为线段AF 上的点，且AH ＝23HF ，求直线BH 和平面CEF 所成角的正弦值．解：依题意，OF ⊥平面ABCD ，如图，以O 为原点，分别以AD ―→，BA ―→，OF ―→的方向为x 轴，y 轴，轴的正方向建立空间直角坐标系，依题意可得O (0,0,0)，A (－1,1,0)，B (－1，－1，0)，C (1，－1，0)，D (1,1,0)，E (－1，－1,2)，F (0,0,2)，G (－1,0，0)．(1)证明：依题意，AD ―→＝(2,0,0)，AF ―→＝(1，－1,2)．设n 1＝(x 1，y 1， 1)为平面ADF 的法向量，则⎩⎪⎨⎪⎧ n 1·AD ―→＝0，n 1·AF ―→＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧ 2x 1＝0，x 1－y 1＋2z 1＝0，不妨取 1＝1，可得n 1＝(0,2,1)．又EG ―→＝(0,1，－2)，可得EG ―→·n 1＝0.又因为直线EG ⊄平面ADF ，所以EG ∥平面ADF .(2)易证OA ―→＝(－1,1,0)为平面OEF 的一个法向量，依题意，EF ―→＝(1,1,0)，CF ―→＝(－1,1,2)．设n 2＝(x 2，y 2， 2)为平面CEF 的法向量，则⎩⎪⎨⎪⎧ n 2·EF ―→＝0，n 2·CF ―→＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧ x 2＋y 2＝0，－x 2＋y 2＋2z 2＝0，不妨取x 2＝1，可得n 2＝(1，－1,1)．因此有cos 〈OA ―→，n 2〉＝OA ―→·n 2| OA ―→|·|n 2|＝－63，于是sin 〈OA ―→，n 2〉＝33. 所以，二面角O EF C 的正弦值为33. (3)由AH ＝23HF ，得AH ＝25AF . 因为AF ―→＝(1，－1,2)，所以AH ―→＝25AF ―→＝⎝ ⎛⎭⎪⎫25，－25，45，进而有H ⎝ ⎛⎭⎪⎫－35，35，45，从而BH ―→＝⎝ ⎛⎭⎪⎫25，85，45. 因此cos 〈BH ―→，n 2〉＝BH ―→·n 2|BH ―→|·|n 2|＝－721. 所以直线BH 和平面CEF 所成角的正弦值为721.。

高二数学选修2-1空间向量试卷及答案

AA 1DCB B 1C 1图高二数学（选修2-1）空间向量试题姓名：_________班级：________ 得分：________一、选择题：在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请把正确答案的代号填在题后的括号内（每小题5分，共60分）． 1．在正三棱柱ABC —A 1B 1C 1中，若AB ＝2BB 1，则AB 1与C 1B 所成的角的大小为（）A ．60°B ．90°C ．105°D ．75°2．如图，ABCD —A 1B 1C 1D 1是正方体，B 1E 1＝D 1F 1＝411B A ，则BE 1与DF 1所成角的余弦值是（）A ．1715 B ．21 C ．178 D ．23 3．如图，A 1B 1C 1—ABC 是直三棱柱，∠BCA =90°，点D 1、F 1分别是A 1B 1、A 1C 1的中点，若BC =CA =CC 1，则BD 1与AF 1所成角的余弦值是（）A ．1030 B ．21 C ．1530 D ．1015 4．正四棱锥S ABCD -的高2SO =，底边长2AB =，则异面直线BD 和SC 之间的距离（）A ．515 B ．55 C ．552 D ．105 5．已知111ABC A B C -是各条棱长均等于a 的正三棱柱，D 是侧棱1CC 的中点．点1C 到平面1AB D 的距离（）A ．a 42 B ．a 82 C ．a 423 D ．a 22 6．在棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -中，则平面1AB C 与平面11A C D 间的距离（）A ．63 B ．33 C ．332 D ．23 图图7．在三棱锥P －ABC 中，AB ⊥BC ，AB ＝BC ＝21PA ，点O 、D 分别是AC 、PC 的中点，OP ⊥底面ABC ，则直线OD 与平面PBC 所成角的正弦值（）A ．621B ．338 C60210 D ．302108．在直三棱柱111C B A ABC -中，底面是等腰直角三角形，90=∠ACB ，侧棱21=AA ，D ，E分别是1CC 与B A 1的中点，点E 在平面AB D 上的射影是ABD ∆的重心G ．则B A 1与平面AB D 所成角的余弦值（）A ．32 B ．37C ．23 D ．73 9．正三棱柱111C B A ABC -的底面边长为3，侧棱3231=AA ，D 是C B 延长线上一点，且BC BD =，则二面角B AD B --1的大小（）A ．3π B ．6πC ．65πD ．32π10．正四棱柱1111D C B A ABCD -中，底面边长为22，侧棱长为4，E ，F 分别为棱AB ，CD 的中点，G BD EF =⋂．则三棱锥11EFD B -的体积V （）A ．66 B ．3316 C ．316D ．1611．有以下命题：①如果向量b a ,与任何向量不能构成空间向量的一组基底，那么b a ,的关系是不共线； ②,,,O A B C 为空间四点，且向量OC OB OA ,,不构成空间的一个基底，则点,,,O A B C 一定共面；③已知向量c b a ,,是空间的一个基底，则向量c b a b a ,,-+也是空间的一个基底。

高中数学选修2-1 第三章《空间向量与立体几何》单元测试题(含答案)

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．。

高二数学选修2-1第三章空间向量与立体几何练习题及答案

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）。

(典型题)高中数学高中数学选修2-1第二章《空间向量与立体几何》测试卷(含答案解析)

一、选择题1．如图，在三棱锥A BCD -中，平面ABC ⊥平面BCD ，BAC 与BCD △均为直角三角形，且90BAC BCD ∠=∠=︒，AB AC =，112CD BC==，点P 是线段AB 上的动点，若线段CD 上存在点Q ，使得异面直线PQ 与AD 成30的角，则线段PA 长的取值范围是（）A ．20,⎛⎤ ⎥⎝⎦B ．60,⎛⎤⎥ ⎝⎦C ．(0,1]D ．(0,2⎤⎦2．设动点P 在棱长为1的正方体1111ABCD A BC D -的对角线1BD 上，11D PD Bλ=，当APC ∠为锐角时，λ的取值范围是（）A ．10,3⎡⎫⎪⎢⎣⎭B ．10,2⎡⎫⎪⎢⎣⎭C ．1,13⎛⎫ ⎪⎝⎭D ．1,12⎛⎫ ⎪⎝⎭3．如图：在直棱柱111ABC A B C -中，1AA AB AC ==，AB AC ⊥，,,P Q M 分别是A 1B 1,BC,CC 1的中点，则直线PQ 与AM 所成的角是（）A ．6π B ．4π C ．3π D ．2π 4．如图，棱长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，M 是棱1AA 的中点，点P 在侧面11ABB A 内，若1D P CM ⊥，则PBC ∆的面积的最小值为（）A ．25B ．5 C ．45D ．15．如图，在正方体1111ABCD A BC D -中，M 、N 分别是CD 、1CC 的中点，则异面直线1A M 与DN 所成角的大小是( )A ．30B ．45C ．60D ．906．如图，已知正三棱柱111ABC A B C -的棱长均为2，则异面直线1A B 与1BC 所成角的余弦值是( )A ．3B．12C．14D．07．已知两平面的法向量分别为m=(0，1，0)，n=(0，1，1)，则两平面所成的二面角为（）A．45°B．135°C．45°或135°D．90°8．已知正方体1111ABCD A BC D-的棱长为1，E为1BB的中点，则点C到平面11A D E的距离为A．5B．5C．5D．39．记动点P是棱长为1的正方体1111-ABCD A BC D的对角线1BD上一点，记11D PD Bλ=．当APC∠为钝角时，则λ的取值范围为( )A．(0,1)B．1(,1)3C．1(0,)3D．(1,3)10．在直三棱柱111ABC A B C-中，90ABC∠=︒，2AB=，11BC CC==，则异面直线1AB与1BC所成角的余弦值为（）A．1010-B．1510-C．1010D．151011．如图，在直三棱柱111ABC A B C-中，1AB AC==，12BC AA==，点,E O分别是线段1,C C BC的中点，1113A F A A=，分别记二面角1F OB E--，1F OE B--，1F EB O--的平面角为,,αβγ，则下列结论正确的是（）A ．γβα>>B ．αβγ>>C ．αγβ>>D ．γαβ>>12．在正三棱柱（底面是正三角形的直三棱柱）111ABC A B C -中，2AB =，E ，F 分别为11AC 和11A B 的中点，当AE 和BF 所成角的余弦值为710时，AE 与平面11BCC B 所成角的正弦值为（） A ．15 B ．15 C ．5 D ．5 二、填空题13．设P ，A ，B ，C 是球O 表面上的四个点，PA ，PB ，PC 两两垂直，且1PA PB PC ===，则球O 的表面积为____________.14．空间四边形ABCD 的两条对棱AC 、BD 的长分别为5和4，则平行于两条对棱的截面四边形EFGH 在平移过程中，周长的取值范围是__________．15．如图所示，在正四棱柱1111ABCD A BC D -中，12AA =，1AB BC ==，动点P 、Q 分别在线段1C D 、AC 上，则线段PQ 长度的最小值是______．16．如图，平行六面体ABCD A B C D ''''-中，1,2,AB AD AA BAD BAA ===∠=∠''60DAA =='∠，则AC '的长为__________17．如图，已知平面α⊥平面β，A ，B 是平面α与平面β的交线上的两个定点，DA β⊂，CB β⊂，且DA AB ⊥，CB AB ⊥，4=AD ，8BC =，6AB =，在平面α内有一个动点P ，使得APD BPC ∠=∠，则PAB △的面积的最大值是______．18．在空间直角坐标系中，一点到三个坐标轴的距离都是1，则该点到原点的距离是________.19．正四棱柱1111ABCD A BC D -的底面边长为2，若1AC 与底面ABCD 所成角为60°，则11AC 和底面ABCD 的距离是________20．已知60︒ 的二面角的棱上有A ，B 两点，直线AC ，BD 分别在这个二面角的两个半平面内，且都垂直于AB ，已知1AB = ，2AC = ，3BD = ，则线段CD 的长为__________．三、解答题21．已知直角梯形SBCD 中，//SD BC .BC CD ⊥，336SD BC CD ===，过点B 作//BA CD 交SD 于A (如图1)，沿AB 把SAB 折起，使得二面角S AB C --为直二面角，连接SC ，E 为棱SC 上任意一点(如图2).（1）求证：平面EBD ⊥平面SAC ；（2）在棱SC 上是否存在点E ，使得二面角E BD S --的余弦值为223？若存在，求出点E 的位置；若不存在，请说明理由.22．如图所示的多面体是由一个直平行六面体被平面AEFG 所截后得到的，其中60BAD ∠=︒，22AB AD ==，45BAE GAD ∠=∠=︒.（Ⅰ）求证：平面ADG ⊥平面BDG ；（Ⅱ）求直线BG 与平面AGFE 所成角的正弦值.23．如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 是矩形，PA ⊥平面ABCD ，E 为PD 上的动点．（1）若//PB 平面AEC ，请确定点E 的位置，并说明理由．（2）设2AB AP ==，3AD =，若13PE PD =，求二面角P AC E --的正弦值．24．如图，在三棱柱111ABC A B C -中，侧面11ABB A 和11BCC B 都是正方形，平面11ABB A ⊥平面11BCC B ，,D E 分别为1BB ，AC 的中点．（1）求证：//BE 平面1ACD ．（2）求直线1B E 与平面1ACD 所成角的正弦值． 25．如图，已知三棱柱111ABC A B C -的底面是正三角形，侧面11BB C C 是矩形，,M N 分别为11,BC B C 的中点，P 为AM 上一点，过11B C 和P 的平面交AB 于E ，交AC 于F ．（1）证明：平面111A AMN EB C F ⊥；（2）设O 为111A B C △的中心，若//AO 平面11EB C F ，且AO AB =，求直线1B E 与平面1A AMN 所成角的正弦值．26．如图，在四棱锥 P -ABCD 中，△PAB 为正三角形，四边形ABCD 为矩形，且平面PAB ⊥平面ABCD ，AB =2，PC =4（1）求证：平面PAB ⊥平面PAD（2）在线段PA 上是否存在一点N ，使得二面角A -BD -N 313N 的位置；若不存在，请说明理由【参考答案】***试卷处理标记，请不要删除一、选择题 1．C 解析：C 【分析】以C 为原点，CD 为x 轴，CB 为y 轴，过C 作平面BCD 的垂线为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出PA 长的取值范围. 【详解】如图，以C 为原点，CD 为x 轴，CB 为y 轴，过C 作平面BCD 的垂线为z 轴，建立空间直角坐标系，则()()()()0,0,0,0,1,1,0,2,0,1,0,0C A B D ，设(),0,0Q q ()01q ≤≤，设()0,,AP AB λλλ==-()01λ<≤，则()(,0,0)(0,1,1)(0,,)(,1,1)PQ CQ CA AP q q λλλλ=-+=---=---，(1,1,1)AD =--，异面直线PQ 与AD 成30的角，22||3cos30||||223PQ AD PQ AD q λ⋅∴===⋅++⋅， 22182516q q λ∴+=-+， 201,516[0,11]q q q ≤≤∴-+∈，即22182018211λλ⎧+≥⎨+≤⎩，解得22λ≤≤ 201,0λλ<≤∴<≤，可得2||||22(0,1]PA AP λλ===∈. 故选：C.【点睛】利用向量求解空间角的关键在于“四破”：第一，破“建系关”，构建恰当的空间直角坐标系；第二，破“求坐标关”，准确求解相关点的坐标；第三，破“求法向量关”，求出平面的法向量；第四，破“应用公式关”.2．A解析：A 【分析】建立空间直角坐标系，APC ∠为锐角等价于cos 0PA PC APC PA PC⋅∠=>，即0PA PC ⋅>，根据向量数量积的坐标运算即可求解. 【详解】如图建立空间直角坐标系：则()1,0,0A ，()1,1,0B ，()0,1,0C ，()10,0,1D ，()11,1,1D B =-，()()111,1,1,,D P D B λλλλλ==-=-， ()11,01D A =-，()10,1,1D C =-，所以()()()111,01,,1,,1PA D A D P λλλλλλ=-=---=---，()()()110,1,1,,,1,1PC D C D P λλλλλλ=-=---=---，由APC ∠为锐角得cos 0PA PC APC PA PC⋅∠=>，即0PA PC ⋅>，所以()()22110λλλ--+->，即()()1310λλ-->，解得：103λ<<，当0λ=时，点P 位于点1D 处，此时1APC ADC ∠=∠显然是锐角，符合题意，所以103λ≤<，故选：A 【点睛】关键点点睛：本题的关键点是APC ∠为锐角等价于cos 0PA PC APC PA PC⋅∠=>，即0PA PC ⋅>，还需利用11PA D A D P =-，11PC DC D P =-求出PA 、PC 的坐标，根据向量数量积的坐标运算即可求解.3．D解析：D 【分析】建立空间直角坐标系，结合直线的方向向量确定异面直线所成的角即可. 【详解】以点A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系A xyz -，设2AB =，则()()()()0,0,0,1,0,2,1,1,0,0,2,1A P Q M ，据此可得：()()0,1,2,0,2,1PQ AM =-=，0PQ AM ⋅=，故PQ AM ⊥，即直线PQ 与AM 所成的角是2π. 本题选择D 选项.【点睛】本题主要考查空间向量的应用，异面直线所成的角的求解等知识，意在考查学生的转化能力和计算求解能力.4．A解析：A 【分析】建立空间直角坐标系，设出P 点的坐标，利用1CM D P ⊥求得P 点坐标间的相互关系，写出三角形PBC 面积的表达式，利用二次函数的对称轴，求得面积的最小值.【详解】以1,,DA DC DD 分别为,,x y z 轴建立空间直角坐标系，依题意有()()()()12,0,1,0,2,0,0,0,2,2,,M C D P a b ，()()12,2,1,2,,2MC D P a b =--=-，由于1CM D P ⊥，故()()2,2,12,,24220a b a b --⋅-=-+-+=，解得22b a =-.根据正方体的性质可知，BC BP ⊥，故三角形PBC 为直角三角形，而()2,2,0B ，故()0,2,PB a b =--=PBC 的面积为(122BC PB ⨯⨯==126105a ==时，面积取得最小值为2655⎛⎫=⎝⎭，故选A. 【点睛】本小题主要考查空间两条直线相互垂直的坐标表示，考查三角形面积的最小值的求法，还考查了划归与转化的数学思想.属于中档题.空间两条直线相互垂直，那么两条直线的方向向量的数量积为零.对于两个参数求最值，可利用方程将其中一个参数转化为另一个参数，再结合函数最值相应的求法来求最值.5．D解析：D 【分析】可以建立空间直角坐标系，求出向量1A M 与DN 的夹角进而求出异面直线1A M 与DN 所成角．【详解】解：以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，1DD 为z 轴，建立空间直角坐标系，设正方体1111ABCD A BC D -中棱长为2，则1(2,A 0，2)，(0,M 1，0)，(0,D 0，0)，(0,N 2，1)，1(2,AM =-1，2)-，(0,DN =2，1)，设异面直线1A M 与DN 所成角为θ，则11cos 0A M DN A M DNθ⋅==⋅，90θ∴=．∴异面直线1A M 与DN 所成角的大小为90．故选D ．【点睛】本题考查异面直线所成角的求法，考查正方体的结构特征，异面直线所成角等基础知识，是基础题．6．C解析：C 【分析】建立空间直角坐标系，结合空间向量的结论求解异面直线所成角的余弦值即可. 【详解】以AC 的中点O 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系O xyz -，则：()10,1,2A -,)3,0,0B，)13,0,2B ，()0,1,0C ，向量()13,1,2A B =-,()13,1,2B C =--，11cos ,A B BC <>1111A B B C A B B C⋅=⨯2222=⨯14=.本题选择C 选项.【点睛】本题主要考查异面直线所成的角的求解，空间向量的应用等知识，意在考查学生的转化能力和计算求解能力.7．C解析：C 【分析】先求出两个向量的夹角为,=45︒<>m n ，再转化为二面角的大小. 【详解】2cos ,212⋅<>===⨯⋅m n m n m n，即,=45︒<>m n ，所以两平面所成二面角为45°或180°-45°=135°. 答案：C 【点睛】本题考查了空间向量的夹角和二面角的求法，考查了计算能力和逻辑推理能力，属于基础题目.8．A【解析】分析：建立空间直角坐标系，结合题意得到点的坐标，然后利用空间向量求解点面距离即可.详解：如图所示，建立空间直角坐标系，则()10,0,1A ()10,1,1D，11,0,2E ⎛⎫⎪⎝⎭，据此可得：()110,1,0A D =，111,0,2A E ⎛⎫=-⎪⎝⎭，设平面11A D E 的法向量为()111,,m x y z =，则：1110102y x z =⎧⎪⎨-=⎪⎩，据此可得平面11A D E 的一个法向量为()1,0,2m =，而()1,1,0C ，据此有：()11,1,1AC =-，则点C 到平面11A D E 的距离为155AC m m⋅==. 本题选择A 选项.点睛：本题主要考查空间向量的应用，点面距离的求解等知识，意在考查学生的转化能力和计算求解能力.9．B解析：B 【分析】建立空间直角坐标系，利用∠APC 不是平角，可得∠APC 为钝角等价于cos ∠APC ＜0，即，从而可求λ的取值范围．由题设，建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz ，则有A （1，0，0），B （1，1，0），C （0，1，0），1D （0，0，1） ∴ =（1，1，-1），∴ =（λ，λ，-λ），∴=+=（-λ，-λ，λ）+（1，0，-1）=（1-λ，-λ，λ-1） =+ =（-λ，-λ，λ）+（0，1，-1）=（-λ，1-λ，λ-1）显然∠APC 不是平角，所以∠APC 为钝角等价于cos ∠APC ＜0 ∴ 0PA PC ⋅<∴（1-λ）（-λ）+（-λ）（1-λ）+（λ-1）（λ-1）=（λ-1）（3λ-1）＜0，得＜λ＜1 因此，λ的取值范围是（，1），故选B.点评：本题考查了用空间向量求直线间的夹角，一元二次不等式的解法，属于中档题．10．C解析：C 【分析】本题首先可以根据题意建立空间直角坐标系，然后根据2AB =以及11BC CC ==得出12,0,1AB 、()10,1,1BC =，最后根据1111cos θAB BC AB BC 即可得出结果.【详解】因为三棱柱111ABC A B C -是直三棱柱，且90ABC ∠=︒，所以可以以B 为原点、AB 为x 轴、BC 为y 轴、1BB 为z 轴构建空间直角坐标系，如图：因为2AB =，11BC CC ==，所以()2,0,0A ，()10,0,1B ，()0,0,0B ，()10,1,1C ，故12,0,1AB ，()10,1,1BC =，设异面直线1AB 与1BC 所成角为θ，则111110cos θ1052AB BC AB BC ，故选：C. 【点睛】本题考查异面直线所成角的求法，可借助空间向量来求解，能否合理的构建空间直角坐标系是解决本题的关键，考查计算能力，考查数形结合思想，是中档题.11．D解析：D 【分析】过点C 作//Cy AB ，以C 为原点，CA为x 轴，Cy 为y 轴，1CC 为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法求解二面角的余弦值得答案．【详解】解：因为1AB AC ==，1BC AA ==222AB AC BC +=，即AB AC ⊥ 过点C 作//Cy AB ，以C为原点，CA 为x 轴，Cy 为y 轴，1CC 为z 轴，建立空间直角坐标系，则(1F ，0，1(2O ，12，0)，(0E ，0，1(1B ，1，111(,22OB =，11(,22OE =--，11(,22OF =-，1EB =，EF=，设平面1OB E 的法向量(),,m x y z =，则111·02211·0222m OB x y m OE x y z ⎧=++=⎪⎪⎨⎪=--+=⎪⎩，取1x =，得()1,1,0m →=-，同理可求平面1OB F 的法向量(52,n =-，平面OEF 的法向量2(p =-，平面1EFB 的法向量2(,q =-． ∴461cos ||||m n m n α==434cos ||||m p m p β==，46cos ||||m q m q γ==． γαβ∴>>．故选：D ．【点睛】本题考查二面角的大小的判断，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，属于中档题．12．B解析：B 【分析】设1AA t =，以B 为原点，过B 作BC 的垂线为x 轴，BC 为y 轴，1BB 为z 轴，建立空间直角坐标系，由AE 和BF 所成角的余弦值为710，求出12t AA ==．由此能求出AE 与平面11BCC B 所成角α的正弦值．【详解】设1AA t =，以B 为原点，过B 作BC 的垂线为x 轴，BC 为y 轴，1BB 为z 轴，建立空间直角坐标系，则3331(3,1,0),,,(0,0,0),,22A E t B F t ⎫⎫⎪⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭，3(AE =-，12，)t ，3(BF =12，)t ， AE ∵和BF 所成角的余弦值为710，2221||||72|cos ,|10||||11t AE BF AE BF AE BF t t -∴<>===++，解得2t =．∴3(AE =-，12，2)，平面11BCC B 的法向量(1,0,0)n =，AE ∴与平面11BCC B 所成角α的正弦值为：3||152sin ||||5AE n AE n α===．故选：B ．【点睛】本题考查线面角的正弦值的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是中档题．二、填空题13．【分析】利用条件两两垂直且把三棱锥扩展为正方体球的直径即是正方体的体对角线长由球的表面积公式求解【详解】先把三棱锥扩展为正方体则正方体的体对角线的长为所以球的半径为所以球的表面积为【点睛】本题主要考解析：3π【分析】利用条件PA ，PB ，PC 两两垂直，且1PA PB PC ===把三棱锥P ABC -扩展为正方体，球的直径即是正方体的体对角线长，由球的表面积公式求解．【详解】先把三棱锥P ABC -3所以球的半径为32，所以球的表面积为234π3π⨯=⎝⎭．【点睛】本题主要考查了球的体积公式：343V r π=球（其中r 为球的半径）及长方体的体对角线长公式：222l a b c =++,,a b c 分别是长方体的长、宽、高）．14．【解析】如图所示设∴∴∴周长又∵∴周长的范围为故答案为：解析：(8,10)【解析】如图所示，设DH GHk DA AC==， ∴1AH EHk DA BD==-， ∴5GH k =，4(1)EH k =-， ∴周长82k =+．又∵01k <<， ∴周长的范围为(8,10)．故答案为：(8,10)．15．【分析】以点为坐标原点所在直线分别为轴建立空间直角坐标系利用空间向量法计算出异面直线的公垂线的长度即为所求【详解】由题意可知线段长度的最小值为异面直线的公垂线的长度如下图所示以点为坐标原点所在直线分解析：13【分析】以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系，利用空间向量法计算出异面直线1C D 、AC 的公垂线的长度，即为所求. 【详解】由题意可知，线段PQ 长度的最小值为异面直线1C D 、AC 的公垂线的长度.如下图所示，以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系，则点()1,0,0A 、()0,1,0C 、()10,1,2C 、()0,0,0D ，所以，()1,1,0AC =-，()10,1,2=DC ，()1,0,0DA =，设向量(),,n x y z =满足n AC ⊥，1⊥n DC ，由题意可得1020n AC x y n DC y z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩，解得2x y y z =⎧⎪⎨=-⎪⎩，取2y =，则2x =，1z =-，可得()2,2,1n =-，因此，min23DA n PQn⋅==. 故答案为：23. 【点睛】关键点点睛：解本题的关键在于将PQ 长度的最小值转化为异面直线AC 、1C D 的距离，实际上就是求出两条异面直线的公垂线的长度，利用空间向量法求出两条异面直线间的距离，首先要求出两条异面直线公垂线的一个方向向量的坐标，再利用距离公式求解即可.16．【解析】所以【解析】22222||222AC AB BC CC AB BC CC AB BC BC CC AB CC =++=+++⋅+⋅'''⋅'+' 222000112211cos60221cos60212cos6011=+++⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=所以11AC ='17．12【解析】解析：12 【解析】18．【解析】【分析】设出点的坐标根据题意列出方程组从而求得该点到原点的距离【详解】设该点的坐标因为点到三个坐标轴的距离都是1所以所以故该点到原点的距离为故填【点睛】本题主要考查了空间中点的坐标与应用空间【解析】【分析】设出点的坐标(,,)x y z ，根据题意列出方程组，从而求得该点到原点的距离. 【详解】设该点的坐标(,,)x y z因为点到三个坐标轴的距离都是1所以221x y +=，221y z +=，221x z +=，所以22232x y z ++=故该点到原点的距离为2226=2x y z ++，故填6. 【点睛】本题主要考查了空间中点的坐标与应用，空间两点间的距离公式，属于中档题.19．【解析】分析：确定A1C1到底面ABCD 的距离为正四棱柱ABCD ﹣A1B1C1D1的高即可求得结论详解：∵正四棱柱ABCD ﹣A1B1C1D1∴平面ABCD ∥平面A1B1C1D1∵A1C1⊂平面A1B解析：26. 【解析】分析：确定A 1C 1到底面ABCD 的距离为正四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的高，即可求得结论．详解：∵正四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1， ∴平面ABCD ∥平面A 1B 1C 1D 1， ∵A 1C 1⊂平面A 1B 1C 1D 1， ∴A 1C 1∥平面ABCD∴A 1C 1到底面ABCD 的距离为正四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的高∵正四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的底面边长为2，AC 1与底面ABCD 成60°角， ∴A 1A=22tan60°=26 故答案为26．点睛：本题考查线面距离，确定A 1C 1到底面ABCD 的距离为正四棱柱ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1的高是解题的关键．如果直线和已知的平面是平行的，可以将直线和平面的距离，转化为直线上一点到平面的距离.20．【解析】根据题意画图由空间向量法得到故答案为：解析：22【解析】根据题意画图，由空间向量法得到()2222||2?·CD CA AB BD CA AB BD CA AB AB BD BDCA =++=+++++14===故答案为：三、解答题21．（1）证明见解析；（2）存在，点E 为棱SC 的中点. 【分析】（1）由翻折的性质结合二面角的定义可得SA AD ⊥，再由线面垂直的判定与性质可得SA BD ⊥，再结合平面几何的知识可得BD AC ⊥，进而可得BD ⊥平面SAC ，结合面面垂直的判定即可得证；（2）建立空间直角坐标系，表示点()2,2,44E λλλ-，由线面垂直的性质结合二面角的定义可得SOE ∠为二面角E BD S --的平面角，再由2cos OS OE SOE OS OE⋅∠==⋅可得解. 【详解】（1）证明：由翻折的性质可知：SA AB ⊥，AD AB ⊥，所以SAD ∠为二面角S AB C --的平面角，又因为二面角S AB C --为直二面角，所以90SAD ∠=︒，即SA AD ⊥，又AB AD A ⋂=，所以SA ⊥平面ABCD ，所以SA BD ⊥，由题意可知四边形ABCD 为正方形，所以BD AC ⊥，又因为AC SA A ⋂=，所以BD ⊥平面SAC ，又BD ⊂平面EBD ，所以平面EBD ⊥平面SAC ；（2）存在；连接,OS OE ，以A 为原点，AB ，AD ，AS 的方向分别为x 轴，y 轴，z 轴正方向建立空间坐标系，如图，则()2,0,0B ，()0,2,0D ，()2,2,0C ，()0,0,4S ，又知点E 在线段SC 上，设()2,2,4SE λSC λλλ==-(01λ≤≤)，因此()2,2,44E λλλ-，又因为()1,1,0O ，所以()1,1,4OS =--，()21,21,44OE λλλ=---，由BD ⊥平面SAC 可得OE BD ⊥，OS BD ⊥，所以SOE ∠为二面角E BD S --的平面角，所以()()22121244422cos 3222144λλλOS OE SOE OS OEλλ-+-+-⋅∠===⋅⋅-+- 即29102244018λλλ-=-+，解得12λ=或92λ=，因为01λ≤≤，所以12λ=，即棱SC 上存在点E ，使得二面角E BD S --的余弦值为23，此时点E 为棱SC 的中点. 【点睛】关键点点睛：（1）利用空间位置关系的判定与性质判定面面垂直；（2）由二面角的定义找到二面角的平面角，建立合适的空间直角坐标系，利用空间向量解决夹角问题.22．（Ⅰ）证明见解析；（Ⅱ）217【分析】（Ⅰ）证明：AD DB ⊥，GD DB ⊥，即可证明BD ⊥平面ADG ，从而得到平面ADG ⊥平面BDG ；（Ⅱ）建立空间直角坐标系，利用向量方法求直线GB 与平面AEFG 所成角的正弦值．【详解】（Ⅰ）证明：在BAD 中，22AB AD ==，60BAD ∠=︒．由余弦定理2222cos60BD AD AB AB AD =+-︒，3BD =， 222AB AD DB =+，AD DB ∴⊥，在直平行六面体中，GD ⊥平面ABCD ，DB ⊂平面ABCD ，GD DB ∴⊥，又ADGD D =，,AD DG ⊂平面ADGBD ∴⊥平面ADG ．又因为BD ⊂平面BDG ，所以平面ADG ⊥平面BDG ；（Ⅱ）解：如图以D 为原点建立空间直角坐标系D xyz -，45BAE GAD ∠=∠=︒，22AB AD ==，(1A ∴，0，0)，(0,3,0)B ，(0,3,2)E ，(0G ，0，1)，(1,3,2)AE =-，(1,0,1)AG =-，(0,3,1)GB =-，设平面AEFG 的法向量(,,)n x y z =，·320·0n AE x y z n AG x z ⎧=-++=⎪⎨=-+=⎪⎩令1x =，得33y -=，1z =， ∴3(1,,1)n =-，设直线GB 和平面AEFG 的夹角为θ，∴21sin |cos ,|||7||||GB n GB n GB n θ=<>==，所以直线GB 与平面AEFG 所成角的正弦值为21．【点睛】本题考查了立体几何中的面面垂直的判定和线面角的求解问题，意在考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力；解答本题关键在于能利用直线与直线、直线与平面、平面与平面关系的相互转化，通过严密推理，同时对于立体几何中角的计算问题，往往可以利用空间向量法，通过求解平面的法向量，利用向量的夹角公式求解. 23．（1）点E 是PD 的中点，详见解析；（2）361. 【分析】（1）点E 是PD 的中点，连接BD 交AC 与点O ，连接OE ，由中位线定理得到//OE PB ，再利用线面平行的判定定理证明.（2）以A 为原点，以AB ，AD ，AP 分别为x ，y ，z 轴，建立空间直角坐标系，分别求得平面PAC 的一个法向量()111,,m x y z =，平面ACE 的一个法向量()222,,n x y z =，设二面角P AC E --为θ，由cos m n m nθ⋅=⋅求解.【详解】（1）点E 是PD 的中点，如图所示：连接BD 交AC 与点O ，连接OE ，所以//OE PB ，又PB ⊄平面AEC ，OE ⊂平面AEC ，所以//PB 平面AEC ．（2）以A 为原点，以AB ，AD ，AP 分别为x ,y ,z 轴，建立空间直角坐标系，则()()()()40,0,2,0,0,0,2,3,0,0,3,0,0,1,3P A C D E ⎛⎫ ⎪⎝⎭,所以()()42,3,0,0,0,2,0,1,3AC AP AE ⎛⎫=== ⎪⎝⎭，设平面PAC 的一个法向量为()111,,m x y z =，则00m AC m AP ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即 11123020x y z +=⎧⎨=⎩，令 1113,2,0x y z ==-=，则()3,2,0m =- 设平面ACE 的一个法向量为()222,,n x y z =，则00n AC n AE ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即 2221230403x y y z +=⎧⎪⎨+=⎪⎩，令 22233,2,2x y z ==-=，则33,2,2n ⎛⎫=- ⎪⎝⎭，设二面角P AC E --为θ, 所以213cos 61m n m nθ⋅==⋅，所以 22213361sin 1cos 161θθ⎛⎫=-- ⎪ ⎪⎝⎭. 【点睛】方法点睛：1、利用向量求异面直线所成的角的方法：设异面直线AC ，BD 的夹角为β，则cos β＝AC BD AC BD⋅⋅.2、利用向量求线面角的方法：(1)分别求出斜线和它所在平面内的射影直线的方向向量，转化为求两个方向向量的夹角(或其补角)；(2)通过平面的法向量来求，即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐角，取其余角就是斜线和平面所成的角．3、利用向量求面面角的方法：就是分别求出二面角的两个面所在平面的法向量，然后通过两个平面的法向量的夹角得到二面角的大小，但要注意结合实际图形判断所求角是锐角还是钝角．24．（1）证明见解析；（2）23. 【分析】（1）取1AC 中点F ，证明四边形EFDB 为平行四边形，证出//BE DF ，即可证明//BE 平面1ACD ；（2）根据题意建立空间直角坐标系，写出点的坐标，求解平面1ACD 的法向量，利用数量积的计算公式即可求出直线1B E 与平面1ACD 所成角的正弦值. 【详解】（1）证明：取1AC 中点F ，连接DF ，EF ， ∵,E F 分别为1,AC AC 的中点，∴1//EF AA ，且112EF AA =，又四边形11ABB A 是正方形，∴11//BB AA 且11BB AA =，即1//EF BB 且112EF BB =，又∵D 为1BB 中点，∴//EF BD 且EF BD =，所以四边形EFDB 为平行四边形，所以//BE DF ，又BE ⊄平面1ACD ，DF ⊂平面1ACD ，所以//BE 平面1ACD . （2）由题意，1,,BA BC BB 两两垂直，所以以B 为原点建立如图所示的空间直角坐标系，设12BA BC BB ===，则11(0,2,0),(1,0,1),(2,0,0),(0,1,0),(0,2,2)B E C D A . ，11(1,2,1),(2,1,0),(2,2,2)B E CD AC =-=-=-，设平面 1ACD 的法向量为(),,m x y z =，则100AC m CD m ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即 222020x y z x y -++=⎧⎨-+=⎩，得()1,2,1m =-设直线1B E 与平面1ACD 所成角为θ， 1111412sin cos ,366B E m B E mB E mθ，所以直线1B E 与平面1ACD 所成角的正弦值为23.【点睛】方法点睛：本题考查的是空间向量与立体几何的问题，（1）关于线面平行的证明，一般利用线面平行的判定定理证明，需要证明平行线，一般是找中位线或者平行四边形证明；（2）关于线面角的求解，一般利用空间向量的方法，需要求解平面的法向量，再代入数量积求解公式计算.25．（1）证明见解析；（210【分析】（1）证明EF ⊥平面1A AMN 即可得面面垂直；（2）求出BE 与EF 的夹角的余弦值，利用EF 是平面1A AMN 的法向量，易得线面角的正弦值．【详解】（1）因为侧面11BB C C 是矩形，,M N 分别为11,BC B C 的中点，所以1BB BC ⊥，1//MN BB ，从而BC MN ⊥，又ABC 是正三角形，M 是BC 中点，所以AM BC ⊥，因为AM MN M ⋂=，,AM MN ⊂平面1A AMN ，所以BC ⊥平面1A AMN ，11//B C 平面ABC ，11BC ⊂平面11B C FE ，平面ABC 平面11B C FE EF =，所以11//B C EF ，而11//BC B C ，所以//EF BC ，所以EF ⊥平面1A AMN ，EF ⊂平面11B C FE ，所以平面111A AMN EB C F ⊥；（2）EFAM P =，连接PN ，//AO 平面11EB C F ，平面11EB C F平面1A AMN PN =，AO ⊂平面1A AMN ，所以//AO PN ，又由三棱柱的性质得//ON AP ，所以APNO 是平行四边形，所以AP NO =，O 是111A B C △的中心，则113ON A N =，所以11133AP A N AM ==，所以13EF AP BC AM ==，设3BC a =，则EF a =，3PN AO BC a ===，由三棱柱性质知四边形11B C FE 是等腰梯形，如图，11PN B C ⊥，作11EH B C ⊥于H ，则3EH PN a ==，又11(3)2B H a a a =-=，所以110B E a =，111110cos 10B H EB C B E a ∠===．由（1）知11B C 是平面1A AMN 的一个法向量，而11EB C ∠是1B E 与11B C 的夹角，所以直线1B E 与平面1A AMN 所成角的正弦值等于1110cos EB C ∠=．【点睛】本题考查证明面面垂直，考查求直线与平面所成角．求直线与平面所成角的方法：（1）定义法：作出直线与平面所成的角（证明），然后解三角形得到角；（2）空间向量法，建立空间直角坐标系，求出平面的一个法向量，由直线的方向向量与平面法向量夹角的余弦值的绝对值得出线面角的正弦值．本题求线面角时，把两者结合，求出直线与平面的一个垂线的夹角的余弦值，从而得出线面角的正弦值，省略了建立空间直角坐标系，用推理代替了计算，也是一种求角的思路． 26．（1）证明见解析；（2）存在，点N 为AP 的中点. 【分析】（1）取AB 的中点O ，连接PO ，由面面垂直的性质得PO ⊥平面ABCD ，得出PO AD ⊥，从而说明AD ⊥平面PAB ，即可得证；（2）以O 为原点建立如图所示的空间直角坐标系，利用向量法可说明. 【详解】（1）证明：取AB 的中点O ，连接PO ，∵PAB △为正三角形，∴PO AB ⊥，又∵平面PAB ⊥平面ABCD ，且平面PAB ⋂平面ABCD AB =， ∴PO ⊥平面ABCD ，又AD ⊂平面ABCD ，∴PO AD ⊥，又∵AD AB ⊥，AD PO ⊥，且PO AB O ⋂=， ∴AD ⊥平面PAB ．又∵AD ⊂平面PAD ， ∴平面PAB ⊥平面PAD ．（2）以O 为原点建立如图所示的空间直角坐标系，在直角PCB 中，4PC =，2PB =，∴23BC =， ∴(1,0,0),(1,0,0),(1,23,0)A B D -，设AN AP λ=，则(1,0,3)N λλ-，则()2,23,0BD =，()23BN λλ=-，设平面BND 的一个法向量(,,)n x y z =，则·0·0n BD n BN ⎧=⎨=⎩，即()2230230x x z λλ⎧+=⎪⎨-=⎪⎩，令3x =，可得得23,1,1n λ⎛⎫=--⎪⎝⎭，而平面ABD 的法向量(0,0,1)m =，由题意知：2113||||4n mn mλ-⋅==⋅⎛+1λ=-（舍）或12λ=，∴当点N为AP的中点时，二面角A BD N--的余弦值为13．【点睛】利用法向量求解空间线面角的关键在于“四破”：第一，破“建系关”，构建恰当的空间直角坐标系；第二，破“求坐标关”，准确求解相关点的坐标；第三，破“求法向量关”，求出平面的法向量；第四，破“应用公式关”.。

数学选修2-1空间向量及其运算练习题含答案

数学选修2-1空间向量及其运算练习题含答案学校：__________ 班级：__________ 姓名：__________ 考号：__________1. 在棱长为1的正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，点E 为底面A 1B 1C 1D 1内一动点，则EA →⋅EC →的取值范围是（） A.[12,1] B.[0,1] C.[−1,0]D.[−12,0]2. 已知向量a →=(3, 5, −1)，b →=(2, 2, 3)，c →=(1, −1, 2)，则向量a →−b →+4c →的坐标为（） A.(5, −1, 4) B.(5, 1, −4) C.(−5, 1, 4) D.(−5, −1, 4)3. 已知空间三点坐标分别为A (1,1,1),B (0,3,0),C (−2,−1,4),点P(−3,x,3)在平面ABC 内，则实数x 的值为( ) A.1 B.−2 C.0 D.−14. 如图，在四面体ABCD 中，设G 是CD 的中点，则AB →+12(BD →+BC →)等于（）A.AD →B.BG →C.CD →D.AG →5. 已知{a →, b →, c →}是空间的一组单位正交基底，而{a →−b →, c →, a →+b →}是空间的另一组基底．若向量p →在基底{a →, b →, c →}下的坐标为(6, 4, 2)，则向量p →在基底{a →−b →, c →, a →+b →}下的坐标为（） A.(1, 2, 5) B.(5, 2, 1) C.(1, 2, 3) D.(3, 2, 1)6. 若a →=(2, −3, 1)，b →=(2, 0, 3)，c →=(0, 2, 2)，则a →⋅(b →+c →)=( ) A.4 B.15 C.7 D.37. 已知a →，b →是空间两个向量，若|a →|=|b →|=2，|a →−b →|=√7，则cos ⟨a →,b →⟩=（） A.18B.14C.12D.18. 已知正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1，点P ，Q 为线段B 1B ，AB 上的动点，下列命题正确的是（）A.(A 1A →+A 1D 1→+A 1B 1→)2=3A 1B 1→2B.A 1C →⋅(A 1B 1→−A 1A →)=0C.若AC 1→=xAB →+2yBC →+3zC 1C →，则x +y +z =75 D.对任意给定的点Q ，存在点P ，使得CP ⊥D 1Q9. 已知正四面体ABCD 的棱长为1，O 是该正四面体外接球球心，且AO →=xAB →+yAC →+zAD →，x ，y ，z ∈R ，则x +y +z =（） A.34 B.13C.12D.1410. 下列命题正确的是（）A.a →|−|b →|<|a →+b →|是向量a →,b →不共线的充要条件B.在空间四边形ABCD 中，AB →⋅CD →+BC →⋅AD →+CA →⋅BD →=0 C.在棱长为1的正四面体ABCD 中，AB →⋅BC →=12D.设A ，B ，C 三点不共线，O 为平面ABC 外一点，若OP →=13OA →+23OB →+OC →则P ，A ，B ，C 四点共面11. 已知a →=(x, −2, 6)，b →=(2, −1, 3)，a → // b →，则x =________．12. 已知正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1，点E ，F 分别是上底面A 1C 1和侧面CD 1的中心，求下列各式中的x ，y 的值：（1）AC 1→=x(AB →+BC →+CC 1→)，则x =________；（2）AE →=AA 1→+xAB →+yAD →，则x =________，y =________；（3）AF →=AD →+xAB →+yAA 1→，则x =________，y =________．13. 在长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，化简：DA →−DB →+B 1C →−B 1B →+A 1B 1→−A 1B →=________．14. 如图，在四边形ABCD 中，DC →=13AB →，E 为BC 的中点，且AE →=x ﹒AB →+y ⋅AD →，则3x −2y =________．15. 设点C(2a +1, a +1, 2)在点P(2, 0, 0)，A(1, −3, 2)，B(8, −1, 4)所确定的平面上，则a =________．16. 已知向量a →=(3,5,0)，b →=(1,2,−1)，则|a →−2b →|等于________．17. 已知点A(1, −2, 11)、B(4, 2, 3)，C(6, −1, 4)，则△ABC 中角C 的大小是________．18. 如图，在三棱锥D −ABC 中，已知AB =AD =2，BC =1，AC →⋅BD →=−3，则CD =________．19. 已知扇形AOB ，点C 在弧AB 上（异于A ，B 两点），线段AB 与OC 交与点M ，设OC →=tOA →+3tOB →(t ≠0)，AM →=mAB →(m ≠0)，则m =________．20. 设a →=(2, 2m −3, n +2)，b →=(6, 2m −1, 4n −2)，且a → // b →，则m +n =________．21. 已知点A(1, −2, 0)和a →=(−3, 4, 12)，求点B 的坐标，使AB → // a →，且|AB|等于|a →|的2倍．22. 已知正方体ABCD −A ′B ′C ′D ′的边长为a . (1)求AC →⋅AA ′→； (2)求AC →⋅A ′C ′→；(3)求AC →⋅AC ′→.23. 已知向量a →=2e →1−3e →2，b→=2e →1+3e →2，其中e →1、e →2不共线，向量c →=2e →1−9e →2．问是否存在这样的实数λ、μ，使向量d→=λa →+μb →与c →共线？24. 已知向量a →，b →，c →分别平行于x 轴，y 轴，z 轴，他们的坐标各有什么特点？25. 已知向量a →=(−2, −1, 2)，b →=(−1, 1, 2)，c →=(x, 2, 2).(1)当|c →|=2√2时，若向量ka →+b →与c →垂直，求实数x 和k 的值；(2)若向量c →与向量a →，b →共面，求实数x 的值.26. 如图，在正四棱锥P −ABCD 中，底面ABCD 是边长为1的正方形，O 是AC 与BD 的交点，PO =1，M 是PC 的中点．（1）设AB →=a →，AD →=b →，AP →=c →，用a →，b →，c →表示向量BM →；（2）在如图的空间直角坐标系中，求向量BM →的坐标．27. 如图，在棱长为a 的正方体A 1B 1C 1D 1−ABCD 中，（1）作出面A 1BC 1与面ABCD 的交线l ，判断l 与直线A 1C 1位置关系，并给出证明；（2）证明B 1D ⊥面A 1BC 1；（3）求直线AC 到面A 1BC 1的距离；（4）若以A 为坐标原点，分别以AB ，AD ，AA 1所在的直线为x 轴、y 轴、z 轴，建立空间直角坐标系，试写出C ，C 1两点的坐标．28. 如图，在平行六面体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，AB =5，AD =3，AA 1=4，∠DAB =90∘，∠BAA 1=∠DAA 1=60∘，E 是CC 1的中点，设AB →=a →，AD →=b →，AA 1→=c →．（1）用a →，b →，c →表示AE →；（2）求AE 的长？29. 设空间向量a →=(3, 5, −4)，b →=(2, 1, 8)．（1）计算2a →+3b →，3a →−2b →，a →⋅b →的值，并求a →与b →所成角的余弦值；（2）当λ、μ，满足什么条件时，使得λa →+μb →与z 轴垂直．30. 如图，在正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，点E 是上底面A 1C 1 的中心，化简下列向量表达式，并在图中标出化简结果的向量．(1)AB →+BC →−C 1C →；(2)12AB →−12DA →−A 1A →.31. 已知长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1，点E 、F 分别是上底面A 1B 1C 1D 1和面CC 1D 1D 的中心，求其中x ，y ，z 的值．（1）AC 1→=xAB →+yBC →+zCC 1→；（2）AE →=xAB →+yBC →+zCC 1→；（3）AF →=xBA →+yBC →+zC 1C →．32. 如图所示，在长方体体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，O 为AC 的中点．（1）化简：A 1O →−12AB →−12AD →；（2）设E 是棱DD 1上的点，且DE →=23DD 1→，若EO →=xAB →+yAD →+zAA 1→，试求实数x ，y ，z 的值．33. 已知长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，AB =AA 1=2，AD =4，E 为侧面AA 1B 1B 的中心，F 为A 1D 1的中点．求下列向量的数量积： (1)BC →⋅ED 1→；(2)BF →⋅AB 1→．34. 在平行六面体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，AB =1，AD =2，AA 1=3，∠BAD =90∘，∠BAA 1=∠DAA 1=60∘．若AB →=a →，AD →=b →，AA 1→=c →（1）用基底{a →，b →，c →}表示向量BM →；（2）求向量AC 1→的长度．35. 如图，在三棱柱ABC −A 1B 1C 1中，侧面ACC 1A 1⊥底面ABC ，△A 1AC 为等边三角形，AC ⊥A 1B .(1)求证：AB =BC ；(2)若∠ABC =90∘，求A 1B 与平面BCC 1B 1所成角的正弦值.36. 三棱柱ABC −A 1B 1C 1中，M 、N 分别是A 1B 、B 1C 1上的点，且BM =2A 1M ，C 1N =2B 1N ．设AB →=a →，AC →=b →，AA 1→=c →．（1）试用a →，b →，c →表示向量MN →；（2）若∠BAC =90∘，∠BAA 1=∠CAA 1=60∘，AB =AC =AA 1=1，求MN 的长．37. 已知六边形ABCDEF 的三对对边都互相平行，并且FC →=2AB →=2DE →，又设AB →=α→，BC →=β→，求CE →和CD →．38. 已知PA 垂直于正方形ABCD 所在平面，M ，N 分别是AB ，PC 的中点，并且PA =AD =1，求MN →，DC →的坐标．39. 若M 、A 、B 三点不共线，且存在实数λ1，λ2，使MC →=λ1MA →+λ2MB →，求证：A 、B 、C 三点共线的充要条件是λ1+λ2=1．40. 如图所示，在各个面都是平行四边形的四棱柱ABCD −A 1B 1C 1D 1中，P 是CA 1的中点，M 是CD 1的中点，N 是C 1D 1的中点，点Q 在CA 1上，且CQ:QA 1=4:1，设AB →=a ，AD →=b ，AA 1→=c ，用基底{a, b, c}表示以下向量：（1）AP →；（2）AM →；（3）AN →；（4）AQ →．参考答案与试题解析数学选修2-1空间向量及其运算练习题含答案一、选择题（本题共计 10 小题，每题 3 分，共计30分） 1.【答案】 A【考点】空间向量向量的概念与向量的模【解析】此题暂无解析【解答】解：如图，以D 为原点，以DA 所在的直线为x 轴，以DC 所在的直线为y 轴，以DD 1 所在的直线为x 轴，建立空间直角坐标系，可得点A(1,0,0)，C(0,1,0) 设点E 的坐标为(x,y,1)，则0≤x ≤1，0≤y ≤1 ∴ EA →=(1,−x,−y −1)， EC →=(−x,1−y,−1)，EA →⋅EC →=−x(1−x)−y(1−y)+1=x 2−x +y 2−y +1=(x −12)2+(y −12)2+12．由二次函数的性质可得，当x =y =12时，EA →⋅EC →．取得最小值12，当x =0或x =1，且y =0或y =1时，EA →⋅EC →取得最大值1，因此EA →⋅EC →的取值范围是[12,1]，故选A ．2. 【答案】A【考点】空间向量运算的坐标表示【解析】直接利用空间向量的坐标运算求解即可．【解答】解：向量a →=(3, 5, −1)，b →=(2, 2, 3)，c →=(1, −1, 2)，则向量a →−b →+4c →=(3, 5, −1)−(2, 2, 3)+4(1, −1, 2)=(5, −1, 4)，故选：A ．3.【答案】A【考点】空间向量的基本定理及其意义【解析】利用点P （−3，x ，3）在平面ABC 内，得到AP →=mAB →+nAC →，利用向量的坐标运算和空间向量基本定理求解即可.【解答】解：点P （−3，x ，3）在平面ABC 内，则AP →=mAB →+nAC →，即（−4，x −1，2）=m （−1,2，−1）+n （−3，−2,3），所以−4=−m −3n ，x −1=2m −2n ，2=−m +3n ，解得m =1，n =1，x =1，故选：A .4.【答案】D【考点】空间向量的加减法【解析】先求出则12(BD →+BC →)=BG →，根据向量的加法运算法则计算即可．【解答】解：∵ G 是CD 的中点，∴ AB →+12(BD →+BC →)=AB →+BG →=AG →，故选：D ．5.【答案】A【考点】空间向量【解析】设向量p →在基底{a →−b →, c →, a →+b →}下的坐标为(x, y, z)，由p →=6a →+4b →+2c →=x(a →−b →)+yc →+z(a →+b →)，列出方程组，求出x ，y ，z 的值即可．【解答】解：设向量p →在基底{a →−b →, c →, a →+b →}下的坐标为(x, y, z)，可得p →=6a →+4b →+2c →=x(a →−b →)+yc →+z(a →+b →)，所以：{6=x +z4=−x +z 2=y∴ x =1，y =2，z =5故选：A ．6.【答案】D【考点】空间向量的数量积运算空间向量运算的坐标表示【解析】先求出 b →+c →，再利用空间向量的数量积公式 a →=(x 1,y 1,z 1)，b →=(x 2,y 2,z 2)，a →⋅b →=x 1⋅x 2+y 1y 2+z 1z 2求出a →⋅(b →+c →)．【解答】解：∵ b →=(2, 0, 3)，c →=(0, 2, 2)，∴ b →+c →=(2, 2, 5)，∴ a →⋅(b →+c →)=2×2+(−3)×2+1×5=3，故选D ．7.【答案】A【考点】空间向量的数乘运算【解析】此题暂无解析【解答】此题暂无解答8.【答案】A,B,D【考点】空间向量运算的坐标表示空间向量的数量积运算空间向量的加减法命题的真假判断与应用棱柱的结构特征【解析】此题暂无解析【解答】解：建立如图的空间直角坐标系，设正方体ABCD −A 1B 1C 1D 1的棱长为1，则A(0,0,1)，C(1,1,1)，A 1(0,0,0)，B 1(0,1,0)，C 1(1,1,0)，D 1(1,0,0)，所以A 1A →=(0,0,1)，A 1D 1→=(1,0,0)，A 1B 1→=(0,1,0)，A 1C →=(1,1,1)，AD →1=(1,0,−1)， (A 1A →+A 1D 1→+A 1B 1→)2=(1,1,1)2=3=3A 1B 1→2，A 正确； A 1C →⋅(A 1B 1→−A 1A →)=(1,1,1)⋅(0,1,−1)=0，B 正确；AC 1→=AB →+BC →+CC 1→=AB →+BC →−C 1C →=xAB →+2yBC →+3zC 1C →，解得x =1，y =12，z =−13，则x +y +z =76，C 错误；当点P 与B 1重合时，CP ⊥AB 且CP ⊥AD 1，所以CP ⊥平面ABD 1，因为对于任意给定的点Q ，都有D 1Q ⊂平面ABD 1，所以对于任意给定的点Q ，存在点P ，使得D 1Q ⊥CP ，D 正确．故选ABD .9.【答案】A【考点】棱锥的结构特征空间向量的数乘运算空间向量【解析】根据正四面体的性质求出棱锥的高，根据等体积法求出内切球的半径，建立坐标系，求出各向量的坐标，代入坐标运算即可解出．【解答】解：设正四面体的高为AM ，延长DM 交BC 于E ，则E 为BC 的中点．∴ DE =√32，DM =23DE =√33， ∴ AM =√AD 2−DM 2=√63，设内切球半径为r，则V A−BCD =13S △BCD ⋅AM =4×13×S BCD ⋅r ，∴ r =AM4=√612，∴ OM =√612，以M 为原点，建立如图所示的空间坐标系M −xyz ，则A (0,0,√63)，B (12,−√36,0)，C (−12,−√36,0)， D (0,√33,0)，O (0,0,√612) ∴ AO →=(0,0,−√64)，AB →=(12,−√36,−√63)， AC →=(−12,−√36,√63)，AD →(0,√33,√63)， AO →=xAB →+yAC →+zAD → { 12x −12y =0−√36x −√36y +√33z =0−√63x −√63y −√63z =−√64，解得x =y =z =14． ∴ x +y +z =34．故选A .10.【答案】B【考点】空间向量的基本定理及其意义空间向量的数量积运算共线向量与共面向量【解析】本题考查了空间向量的有关命题，根据向量共线，共面定理，向量数乘运算即可依次判断．【解答】解：若a →，b →为非零的同向向量，则|a →|−|b →|<|a →+b →|，故A 错；在空间四边形中，AB →⋅CD →+BC →⋅AD →+CA →⋅BD →=−BA →⋅(BD →−BC →)+BC →⋅(BD →−BA →)+BD →⋅(BA →−BC →)=−BA →⋅BD →+BA →⋅BC →+BC →⋅BD →−BC →⋅BA →+BD →⋅BA →−BD →⋅BC →=0，故B 正确；在棱长为1的四面体中，AB →⋅BC →=1⋅1⋅cos (π−∠ABC)=−cos ∠ABC ，不一定为12，故C 错；若A ，B ，C 三点不共线，P 与之共面，则OP →=tOA →+mOB →+nOC →，满足t +m +n =1，而13+23+1≠1，故P ，A ，B ，C 不共面，故D 错误．故选B ．二、填空题（本题共计 10 小题，每题 3 分，共计30分）11.【答案】4【考点】共线向量与共面向量【解析】根据所给的两个向量的坐标和两个向量之间的平行关系，写出向量平行的坐标形式的充要条件，解方程即可．【解答】解：∵ a →=(2, −1, 3)，b →=(2, −1, 3)，a → // b →∴ x 2=−2−1=63∴ x =4故答案为：412.【答案】112,1212,12【考点】空间向量的数乘运算空间向量的加减法【解析】（1）根据向量加法的首尾相连法则求解；（2）由向量加法的三角形法则和四边形法则得AE →=AA 1→+A 1E →和A 1E →=12(A 1B 1→+A 1D 1→)，再由向量相等求解；（3）由向量加法的三角形法则和四边形法则得AF →=AD →+DF →和DF →=12(DC →+DD 1→)，再由向量相等求解．【解答】解：（1）根据向量加法的首尾相连法则，x =1；（2）由向量加法的三角形法则得，AE →=AA 1→+A 1E →，由四边形法则和向量相等得，A 1E →=12(A 1B 1→+A 1D 1→)=12(AB →+AD →)； ∴ AE →=AA 1→+12AB →+12AD →，∴ x =y =12；（3）由向量加法的三角形法则得，AF →=AD →+DF →，由四边形法则和向量相等得，DF →=12(DC →+DD 1→)=12(AB →+AA 1→)；∴ AF →=AD →+12AB →+12AA 1→，∴ x =y =12．13.【答案】BD 1→【考点】空间向量的加减法【解析】根据向量的加减的运算法则即可求出．【解答】解：长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，如图，DA →−DB →+B 1C →−B 1B →+A 1B 1→−A 1B →=BA →+BC →+BB 1→=BD →+BB 1→=BD 1→，故答案为：BD 1→，14.【答案】1【考点】向量的线性运算性质及几何意义【解析】利用向量共线定理和向量的三角形法则及其多边形法则即可得出．【解答】解：∵ E 为BC 的中点，∴ BE →=12BC →，又BC →=BA →+AD →+DC →=−AB →+AD →+13AB →，∴ BE →=12(−23AB →+AD →)=−13AB →+12AD →，∴ AE →=AB →+BE →=AB →−13AB →+12AD →=23AB →+12AD →．而AE →=x ﹒AB →+y ⋅AD →，∴ x =23，y =12．∴ 3x −2y =2−1=1．故答案为：1．15.【答案】16【考点】共线向量与共面向量【解析】利用平面向量基本定理即可得出．【解答】解：由已知，得PA →=(−1, −3, 2)，PB →=(6, −1, 4)．设PC →=xPA →+yPB →(x ，y ∈R )，则(2a −1, a +1, 2)=x(−1,−3,2)+y(6,−1,4)=(−x +6y,−3x −y,2x +4y)，所以{2a −1=−x +6y a +1=−3x −y 2=2x +4y ，解得{x =−7y =4a =16．故答案为：16．16.【答案】 √6【考点】空间向量运算的坐标表示空间向量的数乘运算空间向量的数量积运算【解析】本题考查空间向量的坐标运算及向量的模．【解答】解：a →−2b →=(3，5,0)−2(1,2,−1)=(1,1,2)，所以|a →−2b →|=√1+1+4=√6故答案为：√6．17.【答案】90∘【考点】空间向量运算的坐标表示【解析】空间两点P 1(x 1, y 1, z 1)，P 2(x 2, y 2, z 2)，则P 1、P 2的距离：P 1P 2=√(x 1−x 2)2+(y 1−y 2)2+(z 1−z 2)2，根据这个公式可以计算出AC 、BC 的长度，再用两个向量的夹角公式，得到∠ACB 的余弦，从而得到角C 的大小【解答】解：∵ A(1, −2, 11)、B(4, 2, 3)，C(6, −1, 4)，∴ |AC →|=√(1−6)2+(−2+1)2+(11−4)2=√75|BC →|=√(4−6)2+(2+1)2+(3−4)2=√14又∵ CA →=(−5,−1,7)，CB →=(−2,3,−1)∴ CA →⋅CB →=(−5)×(−2)+(−1)×3+7×(−1)=0可得cos ∠ACB =|CA|→|×|CB →|˙=0∵ ∠ACB ∈(0∘, 180∘)∴ ∠ACB =90∘故答案为90∘18.【答案】 √7【考点】空间向量的数量积运算【解析】用AB →,AD →表示BD →，根据已知条件列方程得出AC ，∠BAC ，∠DAC 的关系，使用等量代换计算CD 2＝|AD →−AC →|2．【解答】解：设∠BAC =α，∠DAC =β，∵ |AC →−AB →|=BC →=1，∴ AC 2+AB 2−2AC ⋅AB cos α=1，即AC 2−4AC cos α=−3．∵ AC →⋅BD →=−3，∴ AC →⋅(AD →−AB →)=AC →⋅AD →−AC →⋅AB →=−3，即2AC cos β−2AC cos α=−3，∴ 2AC cos β=2AC cos α−3．∴ CD 2=(AD →−AC →)2=AD →2+AC →2−2AC →⋅AD →=4+AC 2−4AC cos β =4+AC 2−4AC cos α+6=7．∴ CD =√7．故答案为：√7.19.【答案】34【考点】向量的线性运算性质及几何意义【解析】根据条件及向量加法、减法，及数乘的几何意义及其运算便可得到OM →=(1−m)OA →+mOB →，从而有OC →=kOM →=k(1−m)OA →+kmOB →，由平面向量基本定理便得到{k(1−m)=t km =3t，解出m 即可．【解答】解：如图，OM →=OA →+AM →=OA →+mAB →=OA →+m(OB →−OA →)=(1−m)OA →+mOB →；O ，M ，C 三点共线；∴ 存在实数k ，OC →=kOM →=k(1−m)OA →+mkOB →；又OC →=tOA →+3tOB →；∴ {k(1−m)=t mk =3t；解得m =34．故答案为：34．20.【答案】10【考点】共线向量与共面向量【解析】利用向量平行的坐标之间的关系解答．【解答】解：∵ a →=(2, 2m −3, n +2)，b →=(6, 2m −1, 4n −2)，且a → // b →， ∴ 26=2m−32m−1=n+24n−2，解得m =2，n =8；∴ m +n =10；故答案为：10．三、解答题（本题共计 20 小题，每题 10 分，共计200分） 21.【答案】解：∵ AB → // a →，∴ 可设AB →=na →=(−3n, 4n, 12n)，∵ |a →|=13，∴ |AB →|=|n|⋅|a →|=13|n|∵ |AB →|=2|a →|，13|n|=26，解得n =2或n =−2，当n =2时，OB →=OA →+AB →=(1, −2, 0)+(−6, 8, 24)=(−5, 6, 24)，当n =−2时，OB →=OA →+AB →=(1, −2, 0)+(6, −8, −24)=(7, −10, −24)，故B 为(−5, 6, 24)或(7, −10, −24)．【考点】空间向量的夹角与距离求解公式共线向量与共面向量【解析】设AB →=na →=(−3n, 4n, 12n)，由|AB →|=2|a →|，得n =2或n =−2，由此利用OB →=OA →+AB →，能求出点B 的坐标．【解答】解：∵ AB → // a →，∴ 可设AB →=na →=(−3n, 4n, 12n)，∵ |a →|=13，∴ |AB →|=|n|⋅|a →|=13|n|∵ |AB →|=2|a →|，13|n|=26，解得n =2或n =−2，当n =2时，OB →=OA →+AB →=(1, −2, 0)+(−6, 8, 24)=(−5, 6, 24)，当n =−2时，OB →=OA →+AB →=(1, −2, 0)+(6, −8, −24)=(7, −10, −24)，故B 为(−5, 6, 24)或(7, −10, −24)．22.【答案】解：(1)∵ AA ′⊥平面ABCD ，AC ⊂平面ABCD ，∴ AC ⊥AA ′，∴ AC →⋅AA ′→=0.(2)∵ AC // A ′C ′，∴ AC →⋅A ′C ′→=|AC →|⋅|A ′C ′→|⋅cos 0=√2a ⋅√2a =2a 2． (3)AC →⋅AC ′→=|AC →|⋅|AC ′→|cos ∠C ′AC=√2a ×√3a 2222√2a⋅√3a =2a 2．【考点】空间向量的数量积运算【解析】以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，DD′为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出结果．【解答】解：(1)∵ AA ′⊥平面ABCD ，AC ⊂平面ABCD ，∴ AC ⊥AA ′，∴ AC →⋅AA ′→=0.(2)∵ AC // A ′C ′，∴ AC →⋅A ′C ′→=|AC →|⋅|A ′C ′→|⋅cos 0=√2a ⋅√2a =2a 2． (3)AC →⋅AC ′→=|AC →|⋅|AC ′→|cos ∠C ′AC=√2a ×√3a 2222√2a⋅√3a =2a 2．23.【答案】解：∵ d →=λ(2e →1−3e →2)+μ(2e →1+3e →2)=(2λ+2μ)e →1+(−3λ+3μ)e →2，若d →与c →共线，则存在实数k ≠0，使d →=kc →，即(2λ+2μ)e →1+(−3λ+3μ)e →2=2ke →1−9ke →2，由{2λ+2μ=2k −3λ+3μ=−9k 得λ=−2μ．故存在这样的实数λ、μ，只要λ=−2μ，就能使d →与c →共线．【考点】向量的线性运算性质及几何意义【解析】先将向量a →、b →代入表示出向量d →，然后假设共线可得：应有实数k ，使d →=kc →．即可得到λ=−2μ的关系式，从而得到答案．【解答】解：∵ d →=λ(2e →1−3e →2)+μ(2e →1+3e →2)=(2λ+2μ)e →1+(−3λ+3μ)e →2，若d →与c →共线，则存在实数k ≠0，使d →=kc →，即(2λ+2μ)e →1+(−3λ+3μ)e →2=2ke →1−9ke →2，由{2λ+2μ=2k −3λ+3μ=−9k 得λ=−2μ．故存在这样的实数λ、μ，只要λ=−2μ，就能使d →与c →共线．24.【答案】解：向量a →，b →，c →分别平行于x 轴，y 轴，z 轴，所以向量a →的横坐标不为0，横坐标为0，竖坐标为0；向量b →的横坐标为0，横坐标不为0，竖坐标为0；向量c →的横坐标为0，横坐标为0，竖坐标不为0；【考点】空间向量的正交分解及其坐标表示空间向量【解析】直接利用向量与坐标轴的关系，写出结果即可．【解答】解：向量a →，b →，c →分别平行于x 轴，y 轴，z 轴，所以向量a →的横坐标不为0，横坐标为0，竖坐标为0；向量b →的横坐标为0，横坐标不为0，竖坐标为0；向量c →的横坐标为0，横坐标为0，竖坐标不为0；25.【答案】解：(1)当|c →|=2√2时，√x 2+4+4=2√2，解得x =0，且向量ka →+b →=(−2k −1, 1−k, 2k +2).因为向量ka →+b →与c →垂直，所以(ka →+b →)⋅c →=0，即2(1−k)+2(2k +2)=0，解得k =−3，所以实数x 和k 的值分别为0和−3.(2)因为向量c →与向量a →，b →共面，所以设c →=λa →+μb →(λ，μ∈R)，所以(x, 2, 2)=λ(−2, −1, 2)+μ(−1, 1, 2)，所以{x =−2λ−μ，2=μ−λ，2=2λ+2μ，解得{x =−12，λ=−12，μ=32，所以实数x 的值为−12.【考点】向量的线性运算性质及几何意义向量的数量积判断向量的共线与垂直空间向量的数量积运算共线向量与共面向量【解析】(Ⅰ)直接利用向量的垂直的充要条件的应用求出结果．(Ⅱ)直接利用共面向量基本定理的应用求出结果．【解答】解：(1)当|c →|=2√2时，√x 2+4+4=2√2，解得x =0，且向量ka →+b →=(−2k −1, 1−k, 2k +2).因为向量ka →+b →与c →垂直，所以(ka →+b →)⋅c →=0，即2(1−k)+2(2k +2)=0，解得k =−3，所以实数x 和k 的值分别为0和−3.(2)因为向量c →与向量a →，b →共面，所以设c →=λa →+μb →(λ，μ∈R)，所以(x, 2, 2)=λ(−2, −1, 2)+μ(−1, 1, 2)，所以{x =−2λ−μ，2=μ−λ，2=2λ+2μ，解得{x =−12，λ=−12，μ=32，所以实数x 的值为−12.26.【答案】解：（1）∵ BM →=BC →+CM →，BC →=AD →，CM →=12CP →，CP →=AP →−AC →，AC →=AB →+AD →，∴ BM →=AD →+12(AP →−AC →)=AD →+12AP →−12(AB →+AD →) =12AD →+12AP →−12AB → =12b →+12c →−12a →．（2）a →=AB →=(1, 0, 0)，b →=AD →=(0, 1, 0)，∵ O(12，12，0)，P(12，12，1)．∴ c →=AP →=OP →−OA →=(0, 0, 1)，∴ BM →=12b →+12c →−12a →=12(0, 1, 0)+12(0, 0, 1)−12(1, 0, 0)=(−12，12，12)．【考点】空间向量的基本定理及其意义空间向量【解析】（1）利用向量的三角形法则可得：BM →=BC →+CM →，BC →=AD →，CM →=12CP →，CP →=AP →−AC →，AC →=AB →+AD →，代入化简即可得出．（2）由于a →=AB →=(1, 0, 0)，b →=AD →=(0, 1, 0)，c →=AP →=OP →−OA →=(0, 0, 1)，代入即可得出．【解答】解：（1）∵ BM →=BC →+CM →，BC →=AD →，CM →=12CP →，CP →=AP →−AC →，AC →=AB →+AD →，∴ BM →=AD →+12(AP →−AC →)=AD →+12AP →−12(AB →+AD →) =12AD →+12AP →−12AB → =12b →+12c →−12a →．（2）a →=AB →=(1, 0, 0)，b →=AD →=(0, 1, 0)，∵ O(12，12，0)，P(12，12，1)．∴ c →=AP →=OP →−OA →=(0, 0, 1)，∴ BM →=12b →+12c →−12a →=12(0, 1, 0)+12(0, 0, 1)−12(1, 0, 0) =(−12，12，12)．27.【答案】（1）解：在平面ABCD 内过点B 作AC 的平行线BE ，∵ AC // A 1C 1，AC // BE ，∴ BE // A 1C 1，∴ 面A 1BC 1与面ABCD 的交线l 与BE 重合，即直线BE 就是所求的直线l ．∵ BE // A 1C 1，l 与BE 重合，∴ l // A 1C 1．（2）证明：连接B 1D 1，∵ A 1B 1C 1D 1是正方形，∴ A 1C 1⊥B 1D 1，∵ A 1C 1⊥DD 1，∴ A 1C 1⊥面DBB 1D 1，∴ A 1C 1⊥B 1D ．同理A 1B ⊥面ADC 1B 1，∴ A 1B ⊥B 1D ，∵ A 1C 1∩A 1B =A 1，∴ B 1D ⊥面A 1BC 1．（3）解：∵AC // A1C1，且AC在面A1BC1外，A1C1⊂面A1BC1，∴AC // 面A1BC1，∴直线AC到面A1BC1的距离即为点A到面A1BC1的距离，记为ℎ，在三棱锥中A−A1BC1中，V A_A1BC1=V C1−ABA1，∵正方体A1B1C1D1−ABCD棱长为a，∴V A−A1BC1=13⋅S△A1BC1⋅ℎ=13×12×(√2a)2×ℎ×sin60∘=√3a26ℎ，V C1−ABA1=13⋅S△ABA1⋅A1C1=13⋅12⋅a⋅a⋅√2a=√26a3，∵V A_A1BC1=V C1−ABA1，∴ℎ=√63a．（4）解：若以A为坐标原点，分别以AB，AD，AA1所在的直线为x轴、y轴、z轴，建立如图所示的空间直角坐标系，∵正方体A1B1C1D1−ABCD的棱长为a，∴C(a, a, 0)，C1(a, a, a)．【考点】点、线、面间的距离计算柱体、锥体、台体的体积计算空间中直线与直线之间的位置关系空间向量的正交分解及其坐标表示【解析】（1）在平面ABCD内过点B作AC的平行线BE，由AC // A1C1，AC // BE，知BE // A1C1，故直线BE就是所求的直线l．且l // A1C1．（2）由A1C1⊥面DBB1D1，知A1C1⊥B1D．由A1B⊥面ADC1B1，知A1B⊥B1D，所以B1D⊥面A1BC1．（3）AC // A1C1，且AC在面A1BC1外，A1C1⊂面A1BC1，所以AC // 面A1BC1，直线AC到面A1BC1的距离即为点A到面A1BC1的距离，记为ℎ，由等积法能求出ℎ=√63a．（4）若以A为坐标原点，分别以AB，AD，AA1所在的直线为x轴、y轴、z轴，建立空间直角坐标系，能写出C，C1两点的坐标．【解答】（1）解：在平面ABCD内过点B作AC的平行线BE，∵AC // A1C1，AC // BE，∴BE // A1C1，∴面A1BC1与面ABCD的交线l与BE重合，即直线BE就是所求的直线l．∵BE // A1C1，l与BE重合，∴l // A1C1．（2）证明：连接B1D1，∵A1B1C1D1是正方形，∴A1C1⊥B1D1，∵A1C1⊥DD1，∴A1C1⊥面DBB1D1，∴A1C1⊥B1D．同理A1B⊥面ADC1B1，∴A1B⊥B1D，∵A1C1∩A1B=A1，∴B1D⊥面A1BC1．（3）解：∵AC // A1C1，且AC在面A1BC1外，A1C1⊂面A1BC1，∴AC // 面A1BC1，∴直线AC到面A1BC1的距离即为点A到面A1BC1的距离，记为ℎ，在三棱锥中A−A1BC1中，V A_A1BC1=V C1−ABA1，∵正方体A1B1C1D1−ABCD棱长为a，∴V A−A1BC1=13⋅S△A1BC1⋅ℎ=13×12×(√2a)2×ℎ×sin60∘=√3a26ℎ，V C1−ABA1=13⋅S△ABA1⋅A1C1=13⋅12⋅a⋅a⋅√2a=√26a3，∵V A_A1BC1=V C1−ABA1，∴ℎ=√63a．（4）解：若以A为坐标原点，分别以AB，AD，AA1所在的直线为x轴、y轴、z轴，建立如图所示的空间直角坐标系，∵正方体A1B1C1D1−ABCD的棱长为a，∴C(a, a, 0)，C1(a, a, a)．28.【答案】解：（1）根据向量的三角形法则得到AE →=AB →+BC →+CE →=a →+b →+12c → （2）∵ |AE →|2=(a →+b →+12c →)2 =a →2+b →2+14c →2+2a →⋅b →+a →⋅c →+b →⋅c → =25+9+4+0+(20+12)⋅cos 60∘=54 ∴ |AE →|=3√6，即AE 的长为3√6．【考点】空间向量的基本定理及其意义空间向量的夹角与距离求解公式【解析】（1）根据向量的三角形法则把要表示的向量写成以几何体的棱为基底的向量的加法的形式，从向量的起点出发，沿着棱到终点．（2）根据上一问表示出的结果，把要求的向量两边平方，把得到平方式展开，得到已知向量的模长和数量积的关系，代入数据做出结果．【解答】解：（1）根据向量的三角形法则得到AE →=AB →+BC →+CE →=a →+b →+12c → （2）∵ |AE →|2=(a →+b →+12c →)2 =a →2+b →2+14c →2+2a →⋅b →+a →⋅c →+b →⋅c → =25+9+4+0+(20+12)⋅cos 60∘=54 ∴ |AE →|=3√6，即AE 的长为3√6．29.【答案】解：（1）∵ 空间向量a →=(3, 5, −4)，b →=(2, 1, 8)，∴ 2a →+3b →=(6, 10, −8)+(6, 3, 24)=(12, 13, 16)，3a →−2b →=(9, 15, −12)−(4, 2, 16)=(5, 13, −28)，a →⋅b →=6+5−32=−21，∴ a →与b →所成角的余弦值为：cos <a →，b →>=√9+25+16⋅√4+1+64=−7√138230．（2）z 轴的方向向量为(0, 0, 1)，λa →+μb →=(3λ+2μ, 5λ+μ, −4λ+8μ)，∵ λa →+μb →与z 轴垂直，则0⋅(3λ+2μ)+0⋅(5λ+μ)+(−4λ+8μ)=0，即8μ−4λ=0，∴ λ=2μ．∴ λ=2μ时，λa →+μb →与z 轴垂直．【考点】空间向量的数量积运算空间向量运算的坐标表示【解析】（1）利用空间向量坐标运算法则能求出2a →+3b →，3a →−2b →，a →⋅b →的值，并能求出a →与b →所成角的余弦值．（2）z 轴的方向向量为(0, 0, 1)，λa →+μb →=(3λ+2μ, 5λ+μ, −4λ+8μ)，由向量垂直的性质，能求出λ=2μ时，λa →+μb →与z 轴垂直．【解答】解：（1）∵ 空间向量a →=(3, 5, −4)，b →=(2, 1, 8)，∴ 2a →+3b →=(6, 10, −8)+(6, 3, 24)=(12, 13, 16)，3a →−2b →=(9, 15, −12)−(4, 2, 16)=(5, 13, −28)，a →⋅b →=6+5−32=−21，∴ a →与b →所成角的余弦值为：cos <a →，b →>=√9+25+16⋅√4+1+64=−7√138230．（2）z 轴的方向向量为(0, 0, 1)，λa →+μb →=(3λ+2μ, 5λ+μ, −4λ+8μ)，∵ λa →+μb →与z 轴垂直，则0⋅(3λ+2μ)+0⋅(5λ+μ)+(−4λ+8μ)=0，即8μ−4λ=0，∴ λ=2μ．∴ λ=2μ时，λa →+μb →与z 轴垂直．30.【答案】解：(1)AB →+BC →−C 1C →=AC →+CC 1→=AC 1→ ，AC 1→如图所示.(2)12AB →−12DA →−A 1A →=12(AB →+AD →)−A 1A →=12AC →+AA 1→=AE →，AE →如图所示.【考点】空间向量的加减法【解析】此题暂无解析【解答】解：(1)AB →+BC →−C 1C →=AC →+CC 1→=AC 1→， AC 1→如图所示.(2)12AB →−12DA →−A 1A →=12(AB →+AD →)−A 1A → =12AC →+AA 1→=AE →，AE →如图所示.31.【答案】解：（1）∵ 长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1，点E 、F 分别是上底面A 1B 1C 1D 1和面CC 1D 1D 的中心，AC 1→=AB →+BC →+CC 1→=xAB →+yBC →+zCC 1→，∴ x =1，y =1，z =1．（2）AE →=AA 1→+A 1E →=12AB →+12BC →+CC 1→=xAB →+yBC →+zCC 1→，∴ x =12，y =12，z =1．（3）AF →=AD →+DF →=12AB →+BC →+12CC 1→=−12BA →+BC →+12CC 1→=xBA →+yBC →+zC 1C →， ∴ x =−12，y =1，z =12．【考点】空间向量的基本定理及其意义【解析】利用空间向量三角形法则结构长方体结构特征求解．【解答】解：（1）∵ 长方体ABCD −A 1B 1C 1D 1，点E 、F 分别是上底面A 1B 1C 1D 1和面CC 1D 1D 的中心，AC 1→=AB →+BC →+CC 1→=xAB →+yBC →+zCC 1→， ∴ x =1，y =1，z =1．（2）AE →=AA 1→+A 1E →=12AB →+12BC →+CC 1→=xAB →+yBC →+zCC 1→，∴ x =12，y =12，z =1．（3）AF →=AD →+DF →=12AB →+BC →+12CC 1→=−12BA →+BC →+12CC 1→=xBA →+yBC →+zC 1C →， ∴ x =−12，y =1，z =12．32.【答案】解：在长方体体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，O 为AC 的中点；(1)A 1O →−12AB →−12AD →=A 1O →−12(AB →+AD →) =A 1O →−12AC → =A 1O →−AO →=A 1O →+OA →=A 1A →；（2）∵ E 是棱DD 1上的点，且DE →=23DD 1→，∴ OE →=OD →+DE →=12BD →+23DD 1→ =12(BA →+BC →)+23AA 1→ =12BA →+12BC →+23AA 1→ =−12AB →+12AD →+23AA 1→， ∴ EO →=−OE →=12AB →−12AD →−23AA 1→；又EO →=xAB →+yAD →+zAA 1→，∴ x =12，y =−12，z =−23．【考点】空间向量的基本定理及其意义空间向量的加减法【解析】根据题意，利用空间向量的线性运算法则，对（1）式进行化简，对（2）式进行线性表示即可．【解答】解：在长方体体ABCD −A 1B 1C 1D 1中，O 为AC 的中点；(1)A 1O →−12AB →−12AD →=A 1O →−12(AB →+AD →) =A 1O →−12AC → =A 1O →−AO →=A 1O →+OA →=A 1A →；（2）∵ E 是棱DD 1上的点，且DE →=23DD 1→， ∴ OE →=OD →+DE →=12BD →+23DD 1→ =12(BA →+BC →)+23AA 1→ =12BA →+12BC →+23AA 1→ =−12AB →+12AD →+23AA 1→，∴ EO →=−OE →=12AB →−12AD →−23AA 1→；又EO →=xAB →+yAD →+zAA 1→，∴ x =12，y =−12，z =−23．33.【答案】解：(1)建立如图所示的空间直角坐标系，由题意可得A(0, 0, 0)，B(2, 0, 0)，C(2, 4, 0)，E(1, 0, 1)，B 1(2, 0, 2)，D 1(0, 4, 2)，F(0, 2, 2)，可得BC →=(0, 4, 0)，ED 1→=(−1, 4, 1)，故BC →⋅ED 1→=0×(−1)+4×4+0×1=16.(2)可得BF →=(−2, 2, 2)，AB 1→=(2, 0, 2)，故BF →⋅AB 1→=−2×2+2×0+2×2=0.【考点】空间向量的数量积运算【解析】建立坐标系，由题意可得相关点的坐标，进而可得向量的坐标，由向量的坐标运算可得结果．【解答】解：(1)建立如图所示的空间直角坐标系，由题意可得A(0, 0, 0)，B(2, 0, 0)，C(2, 4, 0)，E(1, 0, 1)，B 1(2, 0, 2)，D 1(0, 4, 2)，F(0, 2, 2)，可得BC →=(0, 4, 0)，ED 1→=(−1, 4, 1)，故BC →⋅ED 1→=0×(−1)+4×4+0×1=16.(2)可得BF →=(−2, 2, 2)，AB 1→=(2, 0, 2)，故BF →⋅AB 1→=−2×2+2×0+2×2=0.34.【答案】解：（1）由题意可得BM →=BB 1→+B 1M →=BB 1→+12B 1D 1→=BB 1→+12(A 1D 1→−A 1B 1→)=c →+12(b →−a →)，故BM →=−12a →+12b →+c →．------- （2）由条件得|a →|=1，|b →|=2，|c →|=3． a →⋅b →=0，a →⋅c →=32，b →⋅c →=3．------- AC 1→=a →+b →+c →．------故|AC →|=√(a →+b →+c →)2=√a →2+b →2+c →2+2a →⋅b →+2b →⋅c →+2a →⋅c →=√23．------ 【考点】空间向量的基本定理及其意义【解析】（1）利用两个向量的加减法的法则，以及其几何意义可得BM →=BB 1→+B 1M →=BB 1→+12(A 1D 1→−A 1B 1→)，把已知的条件代入化简可得结果．（2）利用两个向量的数量积的定义求出基底中每个向量的模以及每两个向量的数量积，由|AC →|=√(a →+b →+c →)2=√a →2+b →2+c →2+2a →⋅b →+2b →⋅c →+2a →⋅c → 运算求得结果．【解答】解：（1）由题意可得BM →=BB 1→+B 1M →=BB 1→+12B 1D 1→=BB 1→+12(A 1D 1→−A 1B 1→)=c →+12(b →−a →)，故BM →=−12a →+12b →+c →．-------（2）由条件得|a →|=1，|b →|=2，|c →|=3． a →⋅b →=0，a →⋅c →=32，b →⋅c →=3．------- AC 1→=a →+b →+c →．------故|AC →|=√(a →+b →+c →)2=√a →2+b →2+c →2+2a →⋅b →+2b →⋅c →+2a →⋅c →=√23．------ 35.【答案】(1)证明：如图，取AC 的中点O ，连接OA 1，OB .∵ 点O 为等边△A 1AC 边AC 的中点，∴ AC ⊥OA 1.∵ AC ⊥A 1B ，OA 1∩A 1B =A 1，OA 1⊂平面OA 1B ，A 1B ⊂平面OA 1B .∴ AC ⊥平面OA 1B ，又OB ⊂平面OA 1B ，∴ AC ⊥OB .∵ 点O 为AC 的中点，∴ AB =BC .(2)解：由(1)知，AB =BC ，又∠ABC =90∘ ，故△ABC 是以AC 为斜边的等腰直角三角形.∵ A 1O ⊥AC ，侧面ACC 1A 1⊥底面ABC ，面ACC 1A 1∩面ABC =AC ，∴ A 1O ⊥底面ABC以线段OB ，OC ，OA 1所在的直线分别为x 轴、y 轴、z 轴,建立如图所示的空间直角坐标系O −xyz ，设AC =2，则A(0,－1,0)，A 1(0，0，√3)，B(1，0，0)，C(0，1，0).∴ BC →=(−1，1，0)，BB →1=AA →1=(0，1，√3)，A 1B →=(1，0，−√3).设平面BCC 1B 1的一个法向量n 0=(x 0，y 0，z 0)，则由{n 0⋅BC →=0，n 0⋅BB 1→=0，得{−x 0+y 0=0，y 0+√3z 0=0，令y 0=√3，得x 0=√3，z 0=−1，∴ 平面BCC 1B 1的一个法向量为n 0=√3，√3，−1.设A 1B 与平面BCC 1B 1所成角为θ，则sin θ=cos ⟨n 0,A 1B⟩=|n 0⋅A 1B →||n 0||A 1B →|=√217.【考点】空间向量的正交分解及其坐标表示棱柱的结构特征【解析】此题暂无解析【解答】解：(1)证明：如图，取AC的中点O，连接OA1，OB.∵点O为等边△A1AC边AC的中点，∴AC⊥OA1.∵AC⊥A1B，OA1∩A1B=A1，OA1⊂平面OA1B，A1B⊂平面OA1B.∴AC⊥平面OA1B，又OB⊂平面OA1B，∴AC⊥OB.∵点O为AC的中点，∴AB=BC.(2)解：由(1)知，AB=BC，又∠ABC=90∘，故△ABC是以AC为斜边的等腰直角三角形.∵A1O⊥AC，侧面ACC1A1⊥底面ABC，面ACC1A1∩面ABC=AC，∴A1O⊥底面ABC以线段OB，OC，OA1所在的直线分别为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系O−xyz，设AC=2，则A(0,－1,0)，A1(0，0，√3)，B(1，0，0)，C(0，1，0). ∴BC→=(−1，1，0)，BB→1=AA→1=(0，1，√3)，A 1B →=(1，0，−√3).设平面BCC 1B 1的一个法向量n 0=(x 0，y 0，z 0)，则由{n 0⋅BC →=0，n 0⋅BB 1→=0，得{−x 0+y 0=0，y 0+√3z 0=0，令y 0=√3，得x 0=√3，z 0=−1，∴ 平面BCC 1B 1的一个法向量为n 0=√3，√3，−1.设A 1B 与平面BCC 1B 1所成角为θ，则sin θ=cos ⟨n 0,A 1B⟩=|n 0⋅A 1B →||n 0||A 1B →|=√217.36.【答案】解：（1）由图形知MN →=MA 1→+A 1B 1→+B 1N →=13BA 1→+AB →+13B 1C 1→=13(c →−a →)+a →+13(b →−a →)=13a →+13b →+13c →．（2）由题设条件∵ (a →+b →+c →)2=a →2+b →2+c →2+2a →⋅b →+2b →⋅c →+2a →⋅c →=1+1+1+0+2×1×1×12+2×1×1×12=5， ∴ |a →+b →+c →|=√5，|MN →|=13|a →+b →+c →=|√53．【考点】空间向量的夹角与距离求解公式【解析】（1）由图形知MN →=MA 1→+A 1B 1→+B 1N →=13BA 1→+AB →+13B 1C 1→再用a →，b →，c →表示出来即可（2）求MN 的长，即求|MN →|=13|a →+b →+c →|，利用求向量模的方法，求|a →+b →+c →|即可求得MN 的长【解答】解：（1）由图形知MN →=MA 1→+A 1B 1→+B 1N →=13BA 1→+AB →+13B 1C 1→=13(c →−a →)+a →+13(b →−a →)=13a →+13b →+13c →．（2）由题设条件∵ (a →+b →+c →)2=a →2+b →2+c →2+2a →⋅b →+2b →⋅c →+2a →⋅c →=1+1+1+0+2×1×1×12+2×1×1×12=5，∴ |a →+b →+c →|=√5，|MN →|=13|a →+b →+c →=|√53． 37.【答案】解：如图，根据FC →=2AB →=2DE →知，AB // DE ，AB =DE ，AB // FC ，FC =2AB ； ∴ 四边形ABDE 为平行四边形，连接AD ，BE ，设交于O ；则O 点在线段FC 上；∴ OE →=BO →=BA →+BC →，CO →=BA →；∴ CE →=CO →+OE →=BA →+BA →+BC →=−2AB →+BC →=−2α→+β→； ∴ CD →=CE →+ED →=−2α→+β→+α→=−α→+β→．【考点】向量的线性运算性质及几何意义【解析】画出六边形，根据条件知AB // DE ，且AB =DE ，且AB // FC ，FC =2AB ，从而四边形ABDE 为平行四边形，连接对角线，交点O 应在FC 上．结合图形即可看出：OE →=BO →=BA →+BC →，CO →=BA →，从而可以得出CE →=−2α→+β→，而由CE →+ED →即可表示出CD →．【解答】解：如图，根据FC →=2AB →=2DE →知，AB // DE ，AB =DE ，AB // FC ，FC =2AB ； ∴ 四边形ABDE 为平行四边形，连接AD ，BE ，设交于O ；则O 点在线段FC 上；∴ OE →=BO →=BA →+BC →，CO →=BA →；∴ CE →=CO →+OE →=BA →+BA →+BC →=−2AB →+BC →=−2α→+β→；。

选修2-1空间向量与立体几何练习题及答案

选修2-1空间向量及立体几何练习题一、选择题(本大题共10个小题,每小题5分,共50分)1.(2013高密高二检测)已知a=(2x,1,3),b=(1,-2y,9),如果a 与b 为共线向量,则( C ) (A)x=1,y=1 (B)x=12,y=-12(C)x=16,y=-32(D)x=-16,y=32解析:∵a=(2x,1,3)与b=(1,-2y,9)共线,故有213129x y ==-, ∴x=16,y=-32.故选C. 2.(2013云南三明高二检测)已知a=3i+2j-k,b=i-j+2k,则5a 与3b 的数量积等于( A )(A)-15 (B)-5 (C)-3 (D)-1 解析:a=(3,2,-1),b=(1,-1,2), ∴5a ·3b=15a ·b=-15.故选A.3.若向量(1,0,z)与向量(2,1,2)的夹角的余弦值为,则z 等于( A )(A)0 (B)1 (C)-1 (D)2 解析:22331z =⨯+,22331z =+, 解得z=0, 故选A.4.(2013德州高二检测)空间直角坐标系中A(1,2,3),B(-1,0,5),C(3,0,4),D(4,1,3),则直线AB 与CD 的位置关系是( A ) (A)平行 (B)垂直 (C)相交但不垂直 (D)无法确定解析:∵=(-2,-2,2),=(1,1,-1),=-2, ∴∥,又A,B,C,D 不共线, ∴AB ∥CD.5.在正方体ABCD A 1B 1C 1D 1中,B 1C 与对角面DD 1B 1B 所成角的大小为( B )(A)15° (B)30° (C)45° (D)60°解析:设正方体棱长为2,建立如图所示空间直角坐标系.则C(0,,0),B 1(,0,2), ∴=(-,,-2),又=(0,,0)是平面BB 1D 1D 的法向量. ·=2,且||=2,||=,∴cos<,12222=⨯. ∴B 1C 与平面BDD 1B 1的法向量夹角为60°, ∴B 1C 与平面BDD 1B 1的夹角为30°,故选B.6.已知平面α和平面β的法向量分别为m=(3,1,-5),n=(-6,-2,10),则( B )(A)α⊥β (B)α∥β(C)α与β相交但不垂直(D)以上都不对解析:∵n=-2(3,1,-5)=-2m,∴m∥n,∴α∥β.故选B.7.已知向量a=(1,x,1),b=(2,1,-1),a·b>0,则函数y=x2+4x-1的值域是( C )(A)(-∞,3) (B)(-∞,-3)(C)(-4,+∞) (D)(-∞,-4)解析:由于a·b=1×2+x-1=x+1>0,∴x>-1.∴y=x2+4x-1=(x+2)2-5在(-1,+∞)为增函数,所以y>(-1)2+4×(-1)-1=-4,即y∈(-4,+∞),故选C.8.(2013长春外国语学校高二检测)如图,在正方体ABCD A1B1C1D1中,下面结论错误的是( D )(A)BD∥平面CB1D1(B)AC1⊥BD(C)AC1⊥平面CB1D1(D)向量与的夹角为60°解析:以D为原点,DA、DC、DD1所在直线分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系,不妨设正方体的棱长为1,则有D(0,0,0),A(1,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),A1(1,0,1),B1(1,1,1),C1(0,1,1),D1(0,0,1).=(-1,-1,0),=(-1,1,1),=(0,-1,1),=(-1,-1,0),=(1,0,1).对于选项A.由=知结论正确;对于选项B,由·=(-1,1,1)·(-1,-1,0)=0知结论正确;对于选项C,由选项B,易知AC1⊥B1D1,再由·=(-1,1,1)·(-1,0,-1)=0知结论正确;对于选项D,由cos<,>==-2,知结论不正确.29.正方体ABCD A1B1C1D1的棱长为1,O是底面A1B1C1D1的中心,则O到平面ABC1D1的距离为( B )(A)1(B)2(C)2(D)32解析:如图所示,建立空间直角坐标系,则A(1,0,0),C(0,1,0),B1(1,1,1),O12,12,1.∴=12,-12,-1,=(1,0,1).由于B1C⊥BC1,B1C⊥D1C1,∴B1C⊥平面ABC1D1,因此=n=(1,0,1)是平面ABC1D1的一个法向量, ∴点O到平面ABC1D1的距离d==122=24,故选B.10.已知O为坐标原点,=(1,2,3),=(2,1,2),=(1,1,2),点Q在直线OP上运动,则当·取得最小值时,点Q的坐标为( C )(A)12,34,13(B)12,32,34(C)43,43,83(D)43,43,73解析:设Q(x,y,z),∵Q在上,故有∥,∴x=λ,y=λ,z=2λ,则Q(λ,λ,2λ),∴=(1-λ,2-λ,3-2λ),=(2-λ,1-λ,2-2λ),∴·=6λ2-16λ+10=6(λ-43)2-23,当λ=43时,·取得最小值,此时Q43,43,83,故选C.二、填空题(本大题共4个小题,每小题5分,共20分)11.(2012北京高二模拟)已知a=(3λ,6,λ+6),b=(λ+1,3,2λ)为两平行平面的法向量,则λ= .解析:由题意知a ∥b,∴366132λλλλ+==+,解得λ=2. 答案:2 12.命题:①若a 与b 共线,b 与c 共线,则a 与c 共线; ②向量a 、b 、c 共面,则它们所在的直线也共面; ③若a 与b 共线,则存在惟一的实数λ,使b=λa; ④若A 、B 、C 三点不共线,O 是平面ABC 外一点,= 13+13+13,则点M 一定在平面ABC 上,且在△ABC 内部. 上述命题中的真命题是 .解析:当b=0时,①不正确;a,b,c 共面于平面α,a,b,c 所在直线可能异面,但都与平面α平行,所以②不正确;③不正确,a ∥b ⇔b=λa,但 a ≠0;由空间向量基本定理可知④正确. 答案:④13.(2012重庆高二上学期质量检测)空间四点O(0,0,0),A(0,0,3), B(0,3,0),C(3,0,0),O 点到平面ABC 的距离为 . 解析:设平面ABC 的一个法向量为n=(x,y,z),=(0,0,3),=(0,3,-3),=(3,0,-3), 则⇒,.y z x z =⎧⎨=⎩ ∴取n=(1,1,1) 故所求距离为d==.答案:14.(2012政和高二检测)如图,空间四边形OABC,点M,N分别为OA,BC 的中点,且=a,=b,=c,用a,b,c表示,则= .解析:=-=1 2(+)-12=-12a+12b+12c.答案:-12a+12b+12c三、解答题(本大题共4个小题,共50分)15.(本小题满分12分)已知矩形ABCD和矩形ADEF所在平面互相垂直,点M、N分别在对角线BD、AE上,且BM=13BD,AN=13AE,求证:MN∥平面CDE.证明:建立如图所示空间直角坐标系,设AB,AD,AF长分别为3a,3b,3c,则=++=(2a,0,-c).又平面CDE的一个法向量=(0,3b,0),由·=0,得到⊥.因为MN不在平面CDE内,所以NM∥平面CDE.16.(本小题满分12分)(2012浙江温州高二上学期期末联考)如图,在平行六面体ABCD A1B1C1D1中,AB=AD=AA1=1,∠BAD=60°,∠BAA1=∠DAA1=45°.(1)求||;(2)求证:BD⊥平面ACC1A1.(1)解:=++||2=(++)2=+++2(·+·+·)-2+2=2,=1+1+1+2-12∴|BD 1|=.(2)证明:=-,·=·(-)=0,则BD⊥AA1,又BD⊥AC,所以BD⊥平面ACC1A1.17.(本小题满分12分)(2013郴州高二检测)如图,在三棱柱ABC A1B1C1中,AA1⊥平面ABC,AC=3,BC=4,AB=5,AA1=4.(1)证明:AC ⊥BC 1;(2)求二面角C 1AB C 的余弦值大小.解:在三棱柱ABC A 1B 1C 1中,AA 1⊥平面ABC,AC=3,BC=4,AB=5,故AC,BC,CC 1两两垂直,建立空间直角坐标系(如图), 则C(0,0,0),A(3,0,0),C 1(0,0,4),B(0,4,0),B 1(0,4,4). (1)证明:=(-3,0,0), =(0,-4,4),∴·=0.故AC ⊥BC 1.(2)平面ABC 的一个法向量为m=(0,0,1),设平面C 1AB 的一个法向量为 n=(x,y,z), =(-3,0,4),=(-3,4,0),由得340,340,x z x y -+=⎧⎨-+=⎩ 令x=4,则y=3,z=3.∴n=(4,3,3), 故cos<m,n>=34=334.即二面角C 1AB C 的余弦值为33434.18.(本小题满分14分)(2011年高考北京卷)如图,在四棱锥P ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD是菱形,AB=2,∠BAD=60°.(1)求证:BD⊥平面PAC;(2)若PA=AB,求PB与AC所成角的余弦值;(3)当平面PBC与平面PDC垂直时,求PA的长.(1)证明:∵PA⊥平面ABCD,∴PA⊥BD,∵底面ABCD为菱形,∴AC⊥BD,∵PA∩AC=A,∴BD⊥平面PAC.解:(2)设AC∩BD=O,∵∠BAD=60°,PA=AB=2,∴BO=1,AO=OC=,如图,以O为坐标原点,OB、OC所在直线为x,y轴,以过O点且垂直平面ABCD的直线为z轴,建立空间直角坐标系Oxyz,则:P(0,-,2),A(0,-,0),B(1,0,0),C(0,,0), ∴=(1,,-2),=(0,2,0),设PB 与AC 所成的角为θ,则cos θ=|cos<,>| =||=64. (3)由(2)知,=(-1,,0),设|PA|=t>0, 则P(0,-,t),∴=(-1,-,t),设平面PBC 的法向量为m=(x,y,z),则·m=0,·m=0, 即30,30,x y x y tz ⎧-+=⎪⎨--+=⎪⎩ 令y=,则x=3,z=6t, ∴m=3,,6t, 同理可得平面PDC 的法向量n=-3,,6t,∵平面PBC ⊥平面PDC,∴m ·n=0,即-6+236t =0, ∴t=,即|PA|=.。

高中数学人教A版选修(2—1)第三章3.1空间向量及其运算测试题(含解析答案)

高二选修（2—1）第三章3.1空间向量及其运算测试题一、选择题1．已知向量a ＝(3，－2,1)，b =(－2,4,0)，则4a ＋2b 等于（）A ．(16,0,4)B ．(8，－16,4)C ．(8,16,4)D ．(8,0,4)2．在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，若CA →＝a ，CB →＝b ，CC 1→＝c ，则A 1B →＝（）A ．a ＋b －cB ．a －b ＋cC ．－a ＋b ＋cD ．－a ＋b －c3．在棱长都是1的三棱锥A -BCD 中，下列各数量积的值为12的是（） A. ⋅ B. BD AB ⋅ C.DA AB ⋅ D.⋅ 4．在下列条件中，使M 与A 、B 、C 一定共面的是（）A.OM →＝2OA →－OB →－OC →B.OM →＝15OA →＋13OB →＋12OC →C.MA →＋MB →＋MC →＝0D.OM →＋OA →＋OB →＋OC →＝05．若向量{,,}是空间的一个基底，向量-=+=,，那么可以与m 、n 构成空间另一个基底的向量是 ( )A ．aB ．bC ．cD ．2a6．在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，给出以下向量表达式：①(A 1D 1→－A 1A →)－AB →；②(BC →＋BB 1→)－D 1C 1→； ③(AD →－AB →)－2DD 1→；④(B 1D 1→＋A 1A →)＋DD 1→.其中能够化简为向量BD 1→的是（）A ．①②B ．②③C ．③④D ．①④7．已知向量a ＝(1，－1,1)，b ＝(－1,2,1)，且k a －b 与a －3b 互相垂直，则k 的值是A ．1B ．15C ．35D ．－2098．若a ＝(2，－3,1)，b ＝(2,0,3)，c ＝(0,2,2)，a ·(b ＋c )的值为（）A ．4B ．15C ．7D ．39．已知四边形ABCD 满足：AB →·BC →>0，BC →·CD →>0，CD →·DA →>0，DA →·AB →>0，则该四边形为（）A ．平行四边形B ．梯形C ．长方形D ．空间四边形10．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 →＝xOA →＋yOB →＋zOC →，则(x ，y ，z )为( )A.⎝⎛⎭⎫14，14，14B.⎝⎛⎭⎫34，34，34C.⎝⎛⎭⎫13，13，13D.⎝⎛⎭⎫23，23，23 11. 如图所示，在平行六面体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，M 为A 1C 1与B 1D 1的交点．若AB →＝a ， AD →＝b ，AA 1→＝c ，则下列向量中与BM →相等的向量是( )A ．－12a ＋12b ＋cB ．12a ＋12b ＋cC ．－12a －12b ＋cD ．12a －12b ＋c 12.给出命题：①若a 与b 共线，则a 与b 所在的直线平行；②若a 与b 共线，则存在唯一的实数λ，使b ＝λa ；③若A ，B ，C 三点不共线，O 是平面ABC 外一点，OM →＝13OA → ＋13OB →＋13OC ，则点M 一定在平面ABC 上，且在△ABC 的内部．上述命题中的真命题的个数为（）A ．0B ．1C ．2D ．3二、填空题13．A(1,0,1)，B(4,4,6)，C(2,2,3)，D(10,14,17)这四个点________(填“共面”或“不共面”)．14．已知向量a ＝(－1,2,3)，b ＝(1,1,1)，则向量a 在b 方向上的投影为________．15．已知G 是△ABC 的重心，O 是空间与G 不重合的任一点，若OA →＋OB →＋OC →＝λOG →，则λ＝________.16．如果三点A (1,5，－2)，B (2,4,1)，C (a,3，b ＋2)共线，那么a －b ＝________.三、解答题17. 如图所示，已知空间四边形ABCD 的每条边和对角线长都等于1，点E 、F 分别是AB 、AD 的中点，计算： (1)EF →·BA →； (2)EF →·BD →； (3)EF →·DC →.18．如图所示，在空间四边形OABC 中，OA ＝8，AB ＝6，AC ＝4，BC ＝5，∠OAC ＝ 45°，∠OAB ＝60°，求OA 与BC 夹角的余弦值．19．已知空间三点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 分别与向量AB →，AC →垂直，且|a |＝3，求向量a 的坐标．21. 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．22.如图，已知正三棱柱ABC -A 1B 1C 1的底面边长为2，侧棱长为32，点E 在侧棱AA 1上，点F 在侧棱BB 1上，且AE ＝22，BF ＝ 2.(1)求证：CF ⊥C 1E ；(2)求二面角E -CF -C 1的大小．解析：建立如图所示的空间直角坐标系，则由已知可得A (0,0,0)，B (3，1,0)，C (0,2,0)，C 1(0,2，32)，E (0，0，22)，F (3，1，2)．(1) C 1E →＝(0，－2，－2)，CF →＝(3，－1，2)，C 1E →·CF →＝0＋2－2＝0，所以CF ⊥C 1E .(2)CE →＝(0，－2,22)，设平面CEF 的一个法向量为m ＝(x ，y ，z )，由m ⊥CE →，m ⊥CF →，得⎩⎪⎨⎪⎧ m ·CE →＝0，m ·CF →＝0，即⎩⎨⎧－2y ＋22z ＝0，3x －y ＋2z ＝0.可取m ＝(0，2，1)．设侧面BC 1的一个法向量为n ，由n ⊥CB →，n ⊥CC 1→，及CB →＝(3，－1,0)，CC 1→＝(0,0,32)，可取n ＝(1，3，0)．设二面角E -CF -C 1的大小为θ，于是由θ为锐角可得cos θ＝|m·n ||m|·|n |＝63×2＝22，所以θ＝45°，即所求二面角E -CF -C 1的大小为45°.1.D 提示：4a ＋2b ＝4(3，－2,1)＋2(－2,4,0)＝(12，－8，4)＋(－4,8,0)＝(8,0,4)．2. D 提示： A 1B →＝A 1A →＋AB →＝－c ＋(b －a )＝－a ＋b －c .3\ D 提示：向量的夹角是两个向量始点放在一起时所成的角，经检验只有⋅＝12. 4. C 提示：MA →＋MB →＋MC →＝0，即MA →＝－(MB →＋MC →)，所以M 与A 、B 、C 共面．5\ 解析 C ∵a ＋b ，a －b 分别与a 、b 、2a 共面，∴它们分别与a ＋b ，a －b 均不能构成一组基底．6. A 提示：①(A 1D 1→－A 1A →)－AB →＝AD 1→－AB →＝BD →1；②(BC →＋BB 1→)－D 1C 1→＝BC 1→－D 1C 1→＝ BD 1→；③(AD →－AB →)－2DD 1→＝BD →－2DD 1→≠BD 1→；④(B 1D 1→＋A 1A →)＋DD 1→＝B 1D →＋DD 1→＝B 1D 1→≠BD 1→，故选A.7. D 提示：∵k a －b ＝(k ＋1，－k －2，k －1)，a －3b ＝(4，－7，－2)，(k a －b )⊥(a －3b )，∴4(k ＋1)－7(－k －2)－2(k －1)＝0，∴k ＝－209. 8\解析 D ∵b ＋c ＝(2,2,5)，∴a ·(b ＋c )＝(2，－3,1)·(2,2,5)＝3.9解析 D 由已知条件得四边形的四个外角均为锐角，但在平面四边形中任一四边形的外角和是360°，这与已知条件矛盾，所以该四边形是一个空间四边形．10.解析 A OG 1→＝OA →＋AG 1→＝OA →＋23×12(AB →＋AC →)＝OA →＋13[(OB →－OA →)＋(OC →－OA →)] ＝13(OA →＋OB →＋OC →)，由OG ＝3GG 1知，OG →＝34OG 1→＝14(OA →＋OB →＋OC →)， ∴(x ，y ，z )＝⎝⎛⎭⎫14，14，14.11 A 解析由图形知：BM →＝BB 1→＋B 1M →＝AA 1→＋12(AD →－AB →)＝－12a ＋12b ＋c . 12. B 解析 ①中a 与b 所在的直线也有可能重合，故①是假命题；②中当a ＝0，b ≠0 时，找不到实数λ，使b ＝λa ，故②是假命题；可以证明③中A ，B ，C ，M 四点共面，因为13OA →＋13OB →＋13OC →＝OM →，等式两边同时加上MO →，则13(MO →＋OA →)＋13(MO →＋ OB →)＋13(MO →＋OC →)＝0，即MA →＋MB →＋MC →＝0，MA →＝－MB →－MC →，则MA →与MB →，MC → 共面，又M 是三个有向线段的公共点，故A ，B ，C ，M 四点共面，所以M 是△ABC 的重心，所以点M 在平面ABC 上，且在△ABC 的内部，故③是真命题．13. 解析 AB →＝(3,4,5)，AC →＝(1,2,2)，AD →＝(9,14,16)，设AD →＝xAB →＋yAC →.即(9,14,16)＝(3x ＋y,4x ＋2y,5x ＋2y )，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝2，y ＝3，从而A 、B 、C 、D 四点共面． 14. 433 解析向量a 在b 方向上的投影为：|a |·cos a ，b ＝14×－1＋2＋314×3＝433. 15. 3 解析因为OA →＋AG →＝OG →，OB →＋BG →＝OG →，OC →＋CG →＝OG →，且AG →＋BG →＋CG →＝0，所以OA →＋OB →＋OC →＝3OG →.16. 1 解析:AB →＝(1，－1,3)，BC →＝(a －2，－1，b ＋1)，若使A 、B 、C 三点共线，须满足BC →＝λAB →，即(a －2，－1，b ＋1)＝λ(1，－1,3)，所以⎩⎪⎨⎪⎧a －2＝λ，－1＝－λ，b ＋1＝3λ，解得a ＝3，b ＝2，所以a －b ＝1.17. 解析 (1)EF →·BA →＝12BD →·BA → ＝12|BD →||BA →|cos 〈BD →，BA →〉＝12cos 60°＝14.(2)EF →·BD →＝12BD →·BD →＝12cos 0°＝12. (3)EF →·DC →＝12BD →·DC →＝12|BD →||DC →|cos 〈BD →，DC →〉＝12cos 120°＝－14. 18. 解析 ∵BC →＝AC →－AB →，∴OA →·BC →＝OA →·AC →－OA →·AB →＝|OA →|·|AC →|·cos 〈OA →，AC →〉－|OA →|·|AB →|·cos 〈OA →，AB →〉＝8×4×cos 135°－8×6×cos 120°＝24－16 2.∴cos 〈OA →，BC →〉＝OA →·BC →|OA →|·|BC →|＝24－1628×5＝3－225. ∴OA 与BC 夹角的余弦值为3－225. 19.解析 (1)∵AB →＝(－2，－1,3)，AC →＝(1，－3,2)，∴cos ∠BAC ＝AB →·AC →|AB →||AC →|＝714×14＝12， ∴∠BAC ＝60°∴S ＝|AB →||AC →|sin 60°＝7 3.(2)设a ＝(x ，y ，z )，则a ⊥AB →⇒－2x －y ＋3z ＝0，a ⊥AC →⇒x －3y ＋2z ＝0，|a |＝3⇒x 2＋y 2＋z 2＝3，解得x ＝y ＝z ＝1或x ＝y ＝z ＝－1，∴a ＝(1,1,1)或a ＝(－1，－1，－1)．21.解析∵A (－2,0,2)，B (－1,1,2)，C (－3,0,4)，a ＝AB →，b ＝AC →，∴a ＝(1,1,0)，b ＝(－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 (1,1,0)＋(－1,0,2)＝(k －1，k,2)，k a －2b ＝(k ＋2，k ，－4)，且(k a ＋b )⊥(k a －2b )，∴(k －1，k,2)·(k ＋2，k ，－4)＝(k －1)(k ＋2)＋k 2－8＝2k 2＋k －10＝0，则k ＝－52或k ＝2.。

新北师大版高中数学高中数学选修2-1第二章《空间向量与立体几何》测试卷(包含答案解析)(4)

一、选择题1．在四棱锥P ABCD -中，PD ⊥平面ABCD ，四边形ABCD 为正方形，2AB =，E 为PB 的中点，若3cos ,3DP AE =，则PD =（）A ．1B ．32C ．3D ．22．在四面体OABC 中，空间的一点OM 满足1126OM OA OB OC λ=++，若MA ，MB ，MC 共面，则λ=（） A ．12 B ．13 C ．512 D ．712 3．若{},,a b c 是空间的一个基底，则下列各组中不能构成空间一个基底的是（） A ．,2,3a b cB ．,,a b b c c a +++C ．,,a b c b c c +++D ．2,23,39a b b c a c ++- 4．在棱长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，,EF 分别为棱1AA 、1BB 的中点，G 为棱11A B 上的一点，且1(02)AG λλ=<<，则点G 到平面1D EF 的距离为( )A ．23B 2C 22λD 25 5．如图，在正方体1111ABCD A BC D -中，M 、N 分别是CD 、1CC 的中点，则异面直线1A M 与DN 所成角的大小是( )A ．30B ．45C ．60D ．906．侧棱长都都相等的四棱锥P ABCD -中，下列结论正确的有（）个①P ABCD -为正四棱锥；②各侧棱与底面所成角都相等；③各侧面与底面夹角都相等；④四边形ABCD 可能为直角梯形（）A ．1B ．2C ．3D ．47．已知()()2,,,1,21,0a t t b t t ==--，则b a -的最小值是( )A ．2B ．3C ．5D ．68．在棱长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，E ，F 分别为棱1AA 、1BB 的中点，M 为棱11A B 上的一点，且1(02)A M λλ=<<，设点N 为ME 的中点，则点N 到平面1D EF 的距离为（）A ．3λB ．22C ．23λD ．559．如图，直三棱柱111ABC A B C -中，AC BC ⊥，12AC BC AA ===，点Q 为1A B 的中点，若动点P 在直线11B C 上运动时，异面直线AB 与PQ 所成角的最小值为（）A ．30°B ．45°C ．60︒D ．无法确定10．如图，在边长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，E 为BC 的中点，点P 在底面ABCD 上移动，且满足11B P D E ⊥，则线段1B P 的长度的最大值为（）A ．455B ．2C ．22D ．311．以下命题①||||a b -||a b =+是,a b 共线的充要条件；②若{,,}a b c 是空间的一组基底，则{,,}a b b c c a +++是空间的另一组基底； ③|()|||||||a b c a b c ⋅=⋅⋅．其中正确的命题有（）A ．0个B ．1个C ．2个D ．3个12．如图，在四棱柱1111ABCD A BC D -中，底面ABCD 为正方形，侧棱1AA ⊥底面ABCD ，3AB =，14AA =，P 是侧面11BCC B 内的动点，且1AP BD ⊥，记AP 与平面11BCC B 所成的角为θ，则tan θ的最大值为（）A ．43B ．53C ．2D ．259二、填空题13．平面α过正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1的顶点A ，α∥平面CB 1D 1，α∩平面ABCD ＝m ，α∩平面ABB 1A 1＝n ，则m 、n 所成角的正弦值为________．14．在正方体1111ABCD A B C D -中，M 、N 分别是11A B 、11A C 的中点，则异面直线BM 与AN 所成角的余弦值为______．15．已知平面α的一个法向量()2,2,1n =--，点()1,3,0A --在平面α内，则点()2,1,4P -到平面α的距离为_________.16．把地球看作是半径为R 的球，A 点位于北纬30°，东经20°，B 点位于北纬30°，东经80°，求A B 、两点间的球面距离______________．17．在正方体1111ABCD A BC D -中，,E F 分别为棱1AA 、1BB 的中点，M 为棱11A B （含端点）上的任一点，则直线ME 与平面1D EF 所成角的正弦值的最小值为_________. 18．如图,正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1的棱长为1,O 是底面A 1B 1C 1D 1的中心,则点O 到平面ABC 1D 1的距离为 .19．已知平面α的一个法向量为()2,1,3n =--，()3,2,1M -，()4,4,1N ，其中M α∈，N α∉，则点N 到平面α的距离为__________．20．正四棱柱1111ABCD A BC D -中，12AA AB =，则1AD 与平面11BB D 所成角的正弦值为__________．三、解答题21．如图，在底面是直角梯形的四棱锥S ABCD -中，90ABC -︒，SA ⊥平面ABCD ，22SA AB BC AD ====，E 是SC 的中点.（1）证明：//DE 平面SAB ；（2）求直线CD 与平面BED 所成角的正弦值.22．在四棱台1111ABCD A BC D -中，底面ABCD 是边长为2的菱形，1111AAA B ==，120BAD ∠=︒，1AA ⊥平面ABCD .（1）E 是棱AD 的中点，求证：1//B E 平面11CDD C ；（2）试问棱AD 上是否存在点M ，使得二面角111M A B D --的余弦值是5719？若存在，求点M 的位置；若不存在，请说明理由.23．如图所示，在七面体ABCDEFG 中，底面ABCD 是边长为2的菱形，且60BAD ∠=︒，////BE CF DG ，BE ⊥底面ABCD ，2BE CF DG ===.（1）求证：//AG 平面BCFE ；（2）在线段BC 上是否存在点M ，使得平面AGE 与平面MGE 所成锐二面角的余弦值为2114，若存在求出线段BM 的长；若不存在说明理由﹒ 24．如图，在三棱锥P ABE -中，AB AE ⊥，PA ⊥平面ABE ，D 是AE 的中点，C 是线段BE 上的一点，且5AC =，122AB AP AE ===.（1）求证：//CD 平面PAB ；（2）求直线PE 与平面PCD 所成角的正弦.25．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB AC ⊥，2AB AC ==，14AA =，点D是BC 的中点.（1）求异面直线1A B 与1C D 所成角的余弦值；（2）求平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值. 26．如图所示，在多面体ABCDE 中，//DE AB ，AC BC ⊥，平面DAC ⊥平面,ABC 24BC AC ==，2AB DE =，DA DC =，点F 为BC 的中点.（1）证明：EF ⊥平面ABC ；（2）若直线BE 与平面ABC 所成的角为60︒，求平面DCE 与平面ADC 所成的锐二面角的正弦值.【参考答案】***试卷处理标记，请不要删除一、选择题1．D解析：D【分析】由已知以D 为原点建立空间直角坐标系，设(0,0,)P a ，求得,DP AE 的坐标，由数量积公式可得答案.【详解】由已知DP DA DC 、、两两垂直，所以以D 为原点，建立如图所示的坐标系，设(0)PD a a =>，则(0,0,)P a ，(2,0,0)A ，连接BD 取中点F ，连接EF ，所以//EF PD ，EF ⊥平面ABCD ，所以(1,1,)2a E ，所以(0,0,)DP a =，(1,1,)2a AE =-，由3cos ,3DP AE =，得2232cos ,3114a DP AE DP AE DP AE a a ⋅===⋅⋅++，解得2a =.故选：D.【点睛】本题考查了空间向量的数量积公式的应用，关键点是建立空间直角坐标系，由数量积公式求得a ，考查了学生的空间想象力.2．B解析：B 【分析】根据向量共面定理求解．【详解】由题意1126MA OA OM OA OB OC λ=-=--， 1526MB OB OM OA OB OC λ=-=-+-，11(1)26MC OC OM OA OB OC λ=-=--+-， ∵MA ，MB ，MC 共面，∴在在实数唯一实数对(,)m n ，使得MA mMB nMC =+，1126OA OB OC λ--1511(1)2626m OA OB OC n OA OB OC λλ⎛⎫⎡⎤=-+-+--+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，∴111222511666(1)m n m n m n λλλ⎧--=⎪⎪⎪-=-⎨⎪-+-=-⎪⎪⎩，解得132313m n λ⎧=-⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪=⎪⎩．故选：B ．【点睛】结论点睛：本题考查空间向量共面定理．空间上任意三个不共面的向量都可以作为一个基底，其他向量都可用基底表示，且表示方法唯一．,,OA OB OC 是不共面的向量，OM xOA yOB zOC =++，则,,,M A B C 共面⇔1x y z ++=．3．D解析：D【分析】根据空间向量的共面定理，一组不共面的向量构成空间的一个基底，对选项中的向量进行判断即可．【详解】对于:,2,3,:,,,:,,A a b c B a b b c c a C a b c b c c ++++++，每组都是不共面的向量，能构成空间的一个基底，对于D ：2,23,3-9a b b c a c ++满足：()()3-932-23a c a b b c ⎡⎤=++⎣⎦，是共面向量，不能构成空间的一个基底，故选D【点睛】本题主要考查了向量的相关知识，考查了空间向量共面的判断与应用问题，熟练掌握向量基底的定义以及判断条件是解题的关键，属于基础题． 4．D解析：D【分析】以D 为原点，DA 为x 轴、DC 为y 轴、1DD 为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出点G 到平面1D EF 的距离 .【详解】以D 为原点，DA 为x 轴、DC 为y 轴、1DD 为z 轴，建立空间直角坐标系，则()()()()12,,2,0,0,2,2,0,1,2,2,1G D E F λ，()()()12,0,1,0,2,0,0,,1ED EF EG λ=-==，设平面1D EF 的法向量(),,n x y z =，则12020n ED x z n EF y ⎧⋅=-+=⎨⋅==⎩，取1x =，得()1,0,2n =， ∴点G 到平面1D EF 的距离为25EG nd n ⋅===，故选D. 【点睛】本题主要考查利用空间向量求点到平面的距离，是中档题. 空间向量解答立体几何问题的一般步骤是：（1）观察图形，建立恰当的空间直角坐标系；（2）写出相应点的坐标，求出相应直线的方向向量；（3）设出相应平面的法向量，利用两直线垂直数量积为零列出方程组求出法向量；（4）将空间位置关系转化为向量关系；（5）根据定理结论求出相应的角和距离.5．D解析：D【分析】可以建立空间直角坐标系，求出向量1A M与DN 的夹角进而求出异面直线1A M 与DN 所成角．【详解】解：以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，1DD 为z 轴，建立空间直角坐标系，设正方体1111ABCD A BC D -中棱长为2，则1(2,A 0，2)，(0,M 1，0)，(0,D 0，0)，(0,N 2，1)，1(2,AM =-1，2)-，(0,DN =2，1)，设异面直线1A M 与DN 所成角为θ，则11cos 0A M DNA M DN θ⋅==⋅，90θ∴=．∴异面直线1A M 与DN 所成角的大小为90．故选D ．【点睛】本题考查异面直线所成角的求法，考查正方体的结构特征，异面直线所成角等基础知识，是基础题．6．A解析：A【解析】分析：紧扣正四棱锥的概念，即可判定命题的真假.详解：由题意，当四棱锥P ABCD -的底面ABCD 为一个矩形时，设AC BD O ⋂=且PO ⊥底面ABCD ，此时可得PA PB PC PD ===，而四棱锥此时不是正四棱锥，所以①不正确的，同时各个侧面与底面所成的角也不相等，所以③不正确的；因为四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，而直角梯形ABCD 没有外接圆，所以底面不可能是直角梯形，所以④不正确；设四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，所以各条测量与底面ABCD 的正弦值都相等，所以②正确的，综上，故选A.点睛：本题主要考查了正四棱锥的概念，我们把底面是正方形，且顶点在底面上的射影是底面正方形的中心的四棱锥，叫做正四棱锥，其中紧扣正棱锥的概念是解答的关键. 7．A解析：A【解析】解：由题意可知：()1,1,b a t t t -=---- ，则：()()()222211322b a t t t t -=--+-+-=+ ，即b a - 2本题选择A 选项.点睛：本题的模长问题最终转化为二次函数求最值的问题.二次函数、二次方程与二次不等式统称“三个二次”，它们常结合在一起，有关二次函数的问题，数形结合，密切联系图象是探求解题思路的有效方法．一般从：①开口方向；②对称轴位置；③判别式；④端点函数值符号四个方面分析．8．D解析：D【分析】由几何体为正方体，以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，DD 1为z 轴，建立空间直角坐标系，求出平面D 1EF 的法向量n ，结合向量的点到平面距离公式求得点M 到平面D 1EF 的距离，结合N 为EM 中点即可求解【详解】以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，DD 1为z 轴，建立空间直角坐标系，则M （2，λ，2），D 1（0，0，2），E （2，0，1），F （2，2，1），1ED ＝（﹣2，0，1），EF ＝（0，2，0），EM ＝（0，λ，1），设平面D 1EF 的法向量n ＝（x ，y ，z ），则12020n ED x z n EF y ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅==⎪⎩ ，取x ＝1，得n ＝（1，0，2），∴点M 到平面D 1EF 的距离为：d ＝||225||55EM n n ⋅==，N 为EM 中点，所以N 到该面的距离为55 故选：D ．【点睛】本题考查利用向量法求解点到平面距离，建系法与数形结合是解题关键，属于中档题 9．A解析：A【分析】分别以1,,CA CB CC 为,,x y z 轴建立空间直角坐标系，利用空间向量即可得到所求角的余弦值的最大值，再根据余弦函数的单调性即可得到结果.【详解】因为在直三棱柱111ABC A B C -中，AC BC ⊥，所以1,,CA CB CC 两两互相垂直，所以分别以1,,CA CB CC 为,,x y z 轴建立空间直角坐标系，如图：因为12AC BC AA ===，所以(2,0,0)A ，(0,2,0)B ，1(2,0,2)A ，所以(1,1,1)Q ，设(0,,2)P y ，则(2,2,0)AB =-，(1,1,1)PQ y =--，设异面直线AB 与PQ 所成角为θ，则cos θ=|cos ,|AB PQ <>=||||||AB PQ AB PQ ⋅24401(1)1y =++⨯+-+ 2223y y =-+22232y y y =-+23221y y =-+211223()33y =-+ 223≤3=3y =时等号成立）又(0,)2πθ∈，且cos y θ=在(0,)2π内递减，所以[,)62ππθ∈，所以异面直线AB 与PQ 所成角的最小值为30°.故选：A【点睛】本题考查了利用空间向量解决夹角，考查了异面直线所成角的范围以及余弦函数的单调性，属于中档题.10．D解析：D【分析】以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系，设点(),,0P x y ，根据110B P D E ⋅=得出x 、y 满足的关系式，并求出y 的取值范围，利用二次函数的基本性质求得1B P 的最大值.【详解】如下图所示，以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系D xyz -，则点()12,2,2B 、()10,0,2D 、()1,2,0E ，设点()(),,002,02P x y x y ≤≤≤≤，()11,2,2D E =-，()12,2,2B P x y =---，11D E B P ⊥，()112224220B P D E x y x y ∴⋅=-+-+=+-=，得22x y =-，由0202x y ≤≤⎧⎨≤≤⎩，得022202y y ≤-≤⎧⎨≤≤⎩，得01y ≤≤， ()()2221224548B P x y y y ∴=-+-+=-+01y ≤≤，当1y =时，1B P 取得最大值3.故选：D.【点睛】本题考查立体几何中线段长度最值的计算，涉及利用空间向量法处理向量垂直问题，考查计算能力，属于中等题.11．B解析：B【分析】①||||||a b a b -=+共线，反之不成立，即可判断出结论；②利用基底的定义即可判断出真假；③|()||||||||cos ,|a b c a b c a b =<>，即可判断出真假．【详解】①||||||a b a b a -=+⇒，b 共线，反之不成立，||||||a b a b -=+是a ，b 共线的充分不必要条件，因此不正确；②若{a ，b ，}c 是空间的一组基底，假设,,a b b c c a +++共面，则存在唯一一组实数,x y ，使=()()a b x b c y c a ++++成立，即()a b xb x y c ya +=+++，所以1,1,0x y x y ==+=，显然无解，假设不成立，即,,a b b c c a +++不共面，则{a b +，b c +，}c a +是空间的另一组基底，正确；③|()|||||||cos ,a b c a b c a b =<>，而cos ,a b <>不一定等于1，因此不正确．其中正确的命题有一个．故选：B ．【点睛】本题考查了向量共线、共面定理、数量积运算性质、简易逻辑的判定方法，考查了推理能力与计算能力，属于基础题．12．B解析：B【分析】建立空间直角坐标系，利用向量法能求出线面角的正切值的最大值.【详解】以1,,DA DC DD 所在直线分别为,,x y z 轴，建立空间直角坐标系，设(,3,)P x z ，则1(3,3,),(3,3,4)AP x z BD =-=--，11,0AP BD AP BD ⊥∴⋅=，33(3)3340,4x z z x ∴---⨯+=∴=, 22225||(3)6916BP x z x x ∴=-+=-+ 225488191625255x ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭， ||5tan ||3AB BP θ∴=， tan θ∴的最大值为53. 故选：B .【点睛】本题主要考查的是线面所成角，解题的关键是找到线面所成角的平面角，是中档题.二、填空题13．【分析】画出题目描述的图形判断直线mn 的所成的角通过解三角形即可【详解】如图:α‖平面CB1D1α∩平面ABCD=mα∩平面ABA1B1=n 可知:m//CD1m//B1D1因为△CB1D1是正三角形解析：32【分析】画出题目描述的图形，判断直线m 、n 的所成的角，通过解三角形即可.【详解】如图:α‖平面CB 1D 1, α∩平面ABCD=m, α∩平面ABA 1B 1=n,可知:m//CD 1,m//B 1D 1,因为△CB 1D 1是正三角形.所以m 、n 所成角就是∠CD 1B 1=60°则m 、m 所成角的正弦值为:3故选:A【点睛】本题考查异面直线所成角的求法,考查空间想象能力以及计算能力，解决问题的关键是在空间图形中找到异面直线所成的平面角.14．【解析】【分析】由题意设正方体的棱长为2建立如图所示空间直角坐标系利用空间向量求解即可得到答案【详解】设正方体的棱长为2建立如图所示空间直角坐标系则0211异面直线BM 与AN 所成角的余弦值为故答案为解析：3010 【解析】【分析】由题意，设正方体的棱长为2，建立如图所示空间直角坐标系，利用空间向量求解，即可得到答案．【详解】设正方体的棱长为2，建立如图所示空间直角坐标系，则A(2,0，0)，B(2,2，0)，M(2,1，2)，N(1,1，2)，()BM 0,1,2∴=-，()AN 1,1,2=-，BM AN330cos BM,AN 1056BM AN ⋅∴===⨯⋅． ∴异面直线BM 与AN 所成角的余弦值为3010．故答案为3010．【点睛】本题主要考查了空间向量在立体几何中的应用，其中解答中根据几何体的结构特征，建立适当的空间直角坐标系，利用向量的夹角公式求解是解答的关键，着重考查了推理与运算能力，属于基础题．15．【分析】由题意算出根据向量是平面的一个法向量算出向量在上的投影的绝对值即可得到到的距离【详解】解：根据题意可得又平面的一个法向量点A 在内到的距离等于向量在上的投影的绝对值即故答案为:【点睛】本题给出解析：23【分析】由题意算出()1,4,4AP =-，根据向量()2,2,1n =--是平面α的一个法向量，算出向量AP 在n 上的投影的绝对值，即可得到P 到α的距离.【详解】解：根据题意，可得()()1,3,0,1,4,2A P ---，()1,4,4AP =-，又平面α的一个法向量()2,2,1n =--，点A 在α内，()2,1,4P ∴-到α的距离等于向量AP 在n 上的投影的绝对值，()()1242412P n A -⨯-+⨯-∴⨯=-=+ 即(232AP nd n===- 故答案为:23 【点睛】本题给出平面的法向量和平面上的一点，求平面外一点到平面的距离；着重考查了向量的数量积公式和点到平面的距离计算等知识，属于中档题.16．【分析】设球心为北纬纬线圈所在圆的圆心为半径为且是等边三角形即中由余弦定理得的值利用弧长公式求得两点间的球面距离【详解】设球心为北纬纬线圈所在圆的圆心为半径为则根据点位于北纬30°东经20°点位于北解析：5arccos 8R 【分析】设球心为O ，北纬30纬线圈所在圆的圆心为1O ，半径为r ，r =，且ABC 是等边三角形，即AB =，AOB 中，由余弦定理得AOB ∠的值，利用弧长公式求得,A B 两点间的球面距离. 【详解】设球心为O ，北纬30纬线圈所在圆的圆心为1O ，半径为r ，130OAO ∠=，则3cos302r R ==，根据A 点位于北纬30°，东经20°，B 点位于北纬30°，东经80°，可得160AO B ∠=， 1AO B ∴是等边三角形，即32AB r R ==， ABC 中，由余弦定理可得2222232cos 4AB R R R R AOB ==+-⋅∠，求得5cos 8AOB ∠= ,5arccos 8AOB ∴∠=， ,A B ∴两点间的球面距离5arccos 8AB R AOB R =⋅∠=⋅.故答案为：5arccos8R ⋅ 【点睛】本题主要考查球面距离的求法，利用余弦定理解三角形，意在考查数形结合分析问题和解决问题的能力，属于中档题型.17．【分析】建立直角坐标系设正方体边长为2求出平面的法向量为直线与平面所成角为因为所以当时取到最小值代入即可【详解】解：如图建立直角坐标系设正方体边长为2则002设平面的法向量为由得令故0由设直线与平面解析：25【分析】建立直角坐标系，设正方体边长为2，求出平面DEF 的法向量为m ，直线ME 与平面1D EF 所成角为α，2sin cos ,15m EM a α==+⋅，因为[0a ∈，2]，所以当2a =时，取到最小值，代入即可．【详解】解：如图，建立直角坐标系，设正方体边长为2，AM a =，则(2E ，0，1)，(2M ，a ，2)，(0D ，0，2)，(2F ，2，1)，设平面DEF 的法向量为(m x =，y ，)z ，1(0,2,0),(2,0,1)EF ED ==-，由0m EF ⋅=，10m D E ⋅=，得020y x z =⎧⎨-+=⎩，令2z =，1x =，故(1m =，0，2)，由(0,,1)EM a =，设直线ME 与平面1D EF 所成角为α， 22sin cos ,15m EM a α==+⋅，因为[0a ∈，2]，所以当2a =时， sin α的最小值为22555=⋅，故答案为：25．【点睛】考查立体几何中的最值问题，本题利用向量法求线面所成的角，基础题．18．【详解】以D 为原点DADCDD1所在直线分别为x 轴y 轴z 轴建立空间直角坐标系如图所示则A(100)B(110)D1(001)C1(011)O(1)=(010)=(-101)设平面ABC1D1的法向量解析：【详解】以D 为原点,DA,DC,DD 1所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐标系如图所示,则A (1,0,0),B (1,1,0),D 1(0,0,1),C 1(0,1,1),O (12，12,1),=(0,1,0),=(-1,0,1),设平面ABC 1D 1的法向量n =(x,y,z),由1·AB y 0{·AD x z 0n n ===-+=，，得令x =1,得n =(1,0,1). 又=(-12,12-,0), ∴O 到平面ABC 1D 1的距离d=1·n OD n ==.19．【分析】根据点面距离公式再由向量的坐标运算得到结果即可【详解】平面的法向量为故所求距离故答案为【点睛】这个题目考查了点面距离的求法方法一可以同这个题目一样建系解决；方法二可以通过等体积法得到点面距离解析：147【分析】根据点面距离公式,再由向量的坐标运算得到结果即可. 【详解】 ()1,2,2MN =，平面α的法向量为()2,1,3n =--，故所求距离·214714MN nd n ===. 故答案为147. 【点睛】这个题目考查了点面距离的求法，方法一可以同这个题目一样建系解决；方法二可以通过等体积法得到点面距离；方法三，如果题中条件有面面垂直的条件，可由点做面的垂线，垂足落在交线上.20．【解析】分析：建立空间直角坐标系求出平面的法向量利用向量法即可求AD1与面BB1D1D 所成角的正弦值详解：以D 为原点DADCDD1分别为x 轴y 轴z 轴建立如图所示空间直角坐标系D ﹣xyz 设AB=1则D解析：1010【解析】分析：建立空间直角坐标系，求出平面的法向量，利用向量法即可求AD 1与面BB 1D 1D 所成角的正弦值．详解：以D 为原点，DA ，DC ，DD 1分别为x 轴，y 轴，z 轴，建立如图所示空间直角坐标系D ﹣xyz ．设AB=1，则D （0，0，0），A （1，0，0）， B （1，1，0），C （0，1，0），D 1（0，0，2）， A 1（1，0，2），B 1（1，1，2），C 1（0，1，2）．设AD 1与面BB 1D 1D 所成角的大小为θ，1AD =（﹣1，0，2），设平面BB 1D 1D 的法向量为n =（x ，y ，z ），DB =（1，1，0），1DD =（0，0，2），则x+y=0，z=0．令x=1，则y=﹣1，所以n =（1，﹣1，0）， sinθ=|cos ＜1AD ，n ＞10，所以AD 1与平面BB 1D 1D 10．故答案为1010. 点睛：这个题目考查了空间中的直线和平面的位置关系．求线面角，一是可以利用等体积计算出直线的端点到面的距离，除以线段长度就是线面角的正弦值；还可以建系，用空间向量的方法求直线的方向向量和面的法向量，再求线面角即可．三、解答题21．（1）证明见解析；（2230. 【分析】（1）取BS 中点F ，连接AF ，EF ，易得四边形ADEF 为平行四边形，则//DE AF ，再利用线面平行的判定定理证明；（2）以A 为坐标原点，AD 为x 轴，AB 为y 轴，AS 为z 轴建立空间直角坐标系，求得向量CD 的坐标和平面BDE 的一个法向量(),,n x y z =，由sin cos ,||||n CD n CD n CD θ⋅==求解.【详解】（1）如图所示：取BS 中点，设为F ，连接AF ，EF ，因为2,//BC AD AD BC =，所以//,AD EF AD EF =，所以四边形ADEF 为平行四边形，所以//DE AF ，又DE ⊄平面SAB ，AF ⊂平面SAB ，所以//DE 平面SAB ；（2）以A 为坐标原点，AD 为x 轴，AB 为y 轴，AS 为z 轴建立如图所示的空间直角坐标系，则()0,2,0B ，()2,2,0C ，()1,0,0D ，()1,1,1E ，从而()1,2,0CD =--，()1,2,0BD =-，()0,1,1DE =，设平面BDE 的一个法向量为(),,n x y z =，则00BD n DE n ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即200x y y z -=⎧⎨+=⎩，令1y =，则21x z =⎧⎨=-⎩，所以平面BDE 的一个法向量为(2,1,1)n =-，设直线CD 与平面BED 所成角为θ，所以22230sin cos ,15||||56n CD n CD n CD θ⋅--====⋅.所以直线CD 与平面BED 所成角的正弦值是23015. 【点睛】方法点睛：利用向量求线面角的方法：（1）分别求出斜线和它所在平面内的射影直线的方向向量，转化为求两个方向向量的夹角(或其补角)；（2）通过平面的法向量来求，即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐角，取其余角就是斜线和平面所成的角． 22．（1）证明见解析；（2）存在，M 为AD 边上靠近A 的四等分点. 【分析】（1）先证11//B E C D ，再根据线面平行判定定理即可证明命题；（2）取BC 中点G ，根据AG ，AD ，1AA 两两互相垂直建立坐标系，设点(0,,0)M t 分别求得平面11MA B 和平面111A B D 的法向量，再由二面角公式解得t 值，从而确定M 的位置. 【详解】（1）证明：连1DC ，由1B C //AD ，得11B C E //D =，故四边形11B EDC 为平行四边形.11//B E C D =，1C D ⊂平面11CDD C ，1B E ⊂/平面11CDD C ，所以1//B E 平面11CDD C ，（2）假设M 点存在，取BC 中点G ，因为底面ABCD 是菱形，120BAD ∠=︒，所以AG BC ⊥，AG AD ⊥，又1AA ⊥面ABCD ，所以AG ，AD ，1AA 两两互相垂直.以A 为坐标原点，AG ，AD ，1AA 为正方向建立空间直角坐标系A xyz -.由2AB =，得3AG =(0,,0)M t ，其中[0,2]t ∈.1(0,0,1)A，11,12B ⎫-⎪⎪⎝⎭，()10,,1A M t =-，1131,022A B ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭.设()1,,n x y z =为平面11MA B 的一个法向量，则1111100n A B nMA ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，即102y ty z-=⎪-=⎩可取()11,3,n =. 易知平面111A B D 一个法向量为()20,0,1n =由121212cos ,1n n n n n n ⋅===+‖12t =，故M 为AD 边上靠近A 的四等分点. 【点睛】思路点睛：利用空间向量法求解二面角的步骤如下：（1）建立合适的空间直角坐标系，写出二面角对应的两个半平面中对应的点的坐标；（2）设出法向量，根据法向量垂直于平面内两条直线的方向向量，求解出平面的法向量（注：若半平面为坐标平面，直接取法向量即可）；（3）计算（2）中两个法向量的余弦值，结合立体图形中二面角的实际情况，判断二面角是锐角还是钝角，从而得到二面角的余弦值. 23．（1）证明见解析；（2）存在，43BM =. 【分析】（1）根据//DG CF 和ABCD 是菱形得到//AD BC ，利用面面平行的判定定理证明. （2）取BC 中点为H ，则DA ，DH ，DG 三线两两垂直，以D 为坐标原点，以DA ，DH ，DG 所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴，建立空间直角坐标系，假设存在M 满足条件，设(01)BM BC λλ=≤≤，分别求得平面AGE 的一个法向量()1111,,x n y z =和平面MGE 的一个法向量()2222,,n x y z =，利用12121221cos 14n n n n n n ⋅⋅==求解. 【详解】（1）∵//DG CF ，CF ⊂面BCFE 且DG ⊄面BCFE ∴//DG 面BCFE又∵//AD BC ，BC ⊂面BCFE 且AD ⊄面BCFE ∴//AD 面BCFE∵AD ⊂面ADG ，DG ⊂面ADG ，且AD DG D =∴面//ADG 面BCFE∵AG ⊂面ADG ， ∴//AG 面BCFE .（2）取BC 中点为H ，则DA ，DH ，DG 三线两两垂直以D 为坐标原点，以DA ，DH ，DG 所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴，建立空间直角坐标系D xyz -，假设存在M 满足条件，则(01)BM BC λλ=≤≤，由题得：()2,0,0A ，()3,0B ，()3,0C -，()3,2E ，()0,0,2G ， ∵BM BC λ=，∴点M 坐标为：()123,0λ-，∴(2,0,2)AG =-，()3,2AE =-，()21,3,2MG λ=--，()2,0,2ME λ=，设平面AGE 的一个法向量为：()1111,,x n y z =，平面MGE 的一个法向量为：()2222,,n x y z =，则1111111220320n AG x z n AE x y z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=-++=⎪⎩，令13x 11y =-，13z ， ∴1(3,13)n =-，同理可得231,n λ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭，由题意得：1212212433213cos 14473n n n n n n λλ-⋅⋅===⋅+，解得：23λ=或269λ=（舍）， ∴43BM =. 【点睛】方法点睛：证明两个平面平行的方法有：(1)用定义，此类题目常用反证法来完成证明；(2)用判定定理：如果一个平面内有两条相交直线都平行于另一个平面，那么这两个平面平行；(3)根据“垂直于同一条直线的两个平面平行”这一性质进行证明；(4)借助“传递性”来完成：两个平面同时平行于第三个平面，那么这两个平面平行；(5)利用“线线平行”、“线面平行”、“面面平行”的相互转化． 24．（1）证明见解析；（2）1010. 【分析】（1）利用直角三角形求出BE ，由12AC BE =可知C 是BE 的中点，由中位线求出CDAB ，即可求证结论；（2）建立空间直角坐标系，利用向量法求线面角的正弦. 【详解】（1）因为122AE =，所以4AE =，又2AB =，AB AE ⊥，所以22222425BE AB AE =+=+=，又因为152AC BE ==，所以AC 是Rt ABE △的斜边BE 上的中线，所以C 是BE 的中点，又因为D 是AE 的中点所以CD 是ABE △的中位线，所以//CD AB ，又因为CD ⊄平面PAB ，AB 平面PAB ，所以//CD 平面PAB ．（2）据题设知，AB ，AE ，AP 两两互相垂直，以A 为原点，AB ，AE ，AP 分别为x ，y ，z 轴建立如图所示的空间直角坐标系，因为122AB AP AE ===，且C ，D 分别是BE ，AE 的中点，所以4AE =，2AD =，所以()040E ，，，()120C ，，，()002P ，，，()020D ，，，所以()042PE =-，，，()122PC =-，，，()100CD =-，，，设平面PCD 的一个法向量为()n x y z →='''，，，则0n CD n PC ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，即0220x x y z ''''-=⎧⎨+-=⎩，所以0x z y =⎧⎨='''⎩，令1y '=，则()011n →=，，，设直线PE 与平面PCD 所成角的大小为θ，则10sin 10PE nPE nθ→→⋅==⋅ 故直线PE 与平面PCD 所成角的正弦值为1010. 【点睛】方法点睛：向量法求线面角的方法就是求出平面的法向量，然后通过斜线向量与平面的法向量的夹角的余弦的绝对值得到线面角的正弦大小，属于中档题． 25．（1）31010；（2）23. 【分析】以点A 为坐标原点，AB 、AC 、1AA 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系. （1）写出1A B 、1C D 的坐标，计算出11cos ,A B C D <>的值，即可得出异面直线1A B 与1C D 所成角的余弦值；（2）计算出1ADC 的一个法向量的坐标，可知平面1ABA 的一个法向量为()0,1,0n =，利用空间向量法可求得平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值. 【详解】在直三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥平面ABC ，且AB AC ⊥，以点A 为坐标原点，AB 、AC 、1AA 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系. 如下图所示：则由题意知()0,0,0A 、()2,0,0B 、()0,2,0C 、()10,0,4A 、()12,0,4B、()10,2,4C 、()1,1,0D .（1）()12,0,4A B =-，()11,1,4C D =--，111111cos ,2A BC D A B C D A B C D⋅<>===⋅ 所以，异面直线1A B 与1C D （2）易知平面1ABA 的一个法向量为()0,1,0n =，设平面1ADC 的法向量为(),,m x y z =，()1,1,0AD =，()10,2,4AC =，由100m AD m AC ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，可得0240x y y z +=⎧⎨+=⎩，令2y =-，则2x =，1z =，所以，平面1ADC 的一个法向量为()2,2,1m =-，22cos ,33m n m n m n⋅-<>===-⋅，因此，平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值为23. 【点睛】方法点睛：求空间角的常用方法：（1）定义法：由异面直线所成角、线面角、二面角的定义，结合图形，作出所求空间角，再结合题中条件，解对应的三角形，即可求出结果；（2）向量法：建立适当的空间直角坐标系，通过计算向量的夹角（两直线的方向向量、直线的方向向量与平面的法向量、两平面的法向量）的余弦值，即可求得结果. 26．（1）证明见解析；（2. 【分析】（1）取AC 的中点O ，连接DO ，OF ，由题中条件，推导出DO ⊥平面ABC ，//EF DO ，由此能证明EF ⊥平面ABC ；（2）以O 为原点，OA 为x 轴，过点O 与CB 平行的直线为y 轴，OD 为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出平面DCE 与平面ADC 所成的角（锐角）的余弦值，即可得出正弦值. 【详解】（1）证明：取AC 的中点O ，连接DO ，OF ，∵在DAC △中，DA DC =，∴DO AC ⊥，∴由平面DAC ⊥平面ABC ，且交线为AC ，得DO ⊥平面ABC ， ∵O ，F 分别为AC ，BC 的中点，∴//OF AB ，且2AB OF =，又//DE AB ，2AB DE =，所以OF DE =， ∴四边形DEFO 为平行四边形，∴//EF DO ， ∴EF ⊥平面ABC ；（2）∵DO ⊥平面ABC ，AC BC ⊥，平面DAC ⊥平面ABC ，所以BC ⊥平面ADC ；∴以O 为原点，OA 为x 轴，过点O 与CB 平行的直线为y 轴，OD 为z 轴，建立如图所示的空间直角坐标系，因为24BC AC ==，2AB DE =，DA DC =，点F 为BC 的中点，则()1,0,0A ，()1,0,0C -，()1,4,0B -，∵EF ⊥平面ABC ，∴直线BE 与平面ABC 所成角为60EBF ∠=︒， ∴tan6023DO EF BF ==︒=，∴(0,0,23D ，(1,2,23E -，取平面ADC 的一个法向量()0,1,0m =，设平面DCE 的一个法向量(),,n x y z =，因为(1,0,23CD =，(0,2,23CE =，则020n CD x n CE y ⎧⋅=+=⎪⎨⋅=+=⎪⎩，取1z =，得()23,n =-， ∴(()234n =-+-+=，1m =，3m n ⋅=-∴3cos ,14m n m n m n⋅-<>===⨯⋅ 即因此平面DCE 与平面ADC 所成的锐二面角为θ，则3cos cos ,4m n θ==，所以sin 4θ== ∴平面DCE 与平面ADC 【点睛】方法点睛：立体几何体中空间角的求法：（1）定义法：根据空间角（异面直线所成角、线面角、二面角）的定义，通过作辅助线，在几何体中作出空间角，再解对应三角形，即可得出结果；（2）空间向量的方法：建立适当的空间直角坐标系，求出直线的方向向量，平面的法向量，通过计算向量夹角（两直线的方法向量夹角、直线的方向向量与平面的法向量夹角、两平面的法向量夹角）的余弦值，来求空间角即可.。

高二数学选修空间向量试卷及答案

高二数学选修空间向量试卷及答案Last revised by LE LE in 2021A A 1 DCB B 1C 1 图高二数学（选修2-1）空间向量试题宝鸡铁一中司婷一、选择题：在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请把正确答案的代号填在题后的括号内（每小题5分，共60分）．1．在正三棱柱ABC —A 1B 1C 1中，若AB ＝2BB 1，则AB 1与C 1B 所成的角的大小为（）A ．60°B ．90°C ．105°D ．75°2．如图，ABCD —A 1B 1C 1D 1是正方体，B 1E 1＝D 1F 1＝411B A ，则BE 1与DF 1所成角的余弦值是（）A ．1715 B ．21 C ．178 D ．23 3．如图，A 1B 1C 1—ABC 是直三棱柱，∠BCA =90°，点D 1、F 1分别是A 1B 1、A 1C 1的中点，若BC =CA =CC 1，则BD 1与AF 1所成角的余弦值是（）A ．1030 B ．21 C ．1530 D ．1015 4．正四棱锥S ABCD -的高2SO =，底边长2AB =，则异面直线BD 和SC 之间的距离（）A ．515 B ．55 C ．552 D ．105 5．已知111ABC A B C -是各条棱长均等于a 的正三棱柱，D是侧棱1CC 的中点．点1C 到平面1AB D 的距离（） A ．a 42B ．a 82 图图C ．a 423 D ．a 22 6．在棱长为1的正方体1111ABCD A B C D -中，则平面1AB C 与平面11A C D 间的距离（）A ．63 B ．33 C ．332 D ．23 7．在三棱锥P －ABC 中，AB ⊥BC ，AB ＝BC ＝21PA ，点O 、D 分别是AC 、PC 的中点，OP ⊥底面ABC ，则直线OD 与平面PBC 所成角的正弦值（）A ．621 B ．338 C60210 D ．302108．在直三棱柱111C B A ABC -中，底面是等腰直角三角形，90=∠ACB ，侧棱21=AA ，D ，E 分别是1CC 与B A 1的中点，点E 在平面AB D 上的射影是ABD ∆的重心G ．则B A 1与平面AB D 所成角的余弦值（）A ．32B ．37C ．23 D ．73 9．正三棱柱111C B A ABC -的底面边长为3，侧棱3231=AA ，D 是C B 延长线上一点，且BC BD =，则二面角B AD B --1的大小（）A ．3π B ．6πC ．65πD ．32π10．正四棱柱1111D C B A ABCD -中，底面边长为22，侧棱长为4，E ，F 分别为棱AB ，CD 的中点，G BD EF =⋂．则三棱锥11EFD B -的体积V （）A ．66 B ．3316 C ．316D ．1611．有以下命题：①如果向量b a ,与任何向量不能构成空间向量的一组基底，那么b a ,的关系是不共线；②,,,O A B C 为空间四点，且向量,,不构成空间的一个基底，则点,,,O A B C 一定共面；③已知向量,,是空间的一个基底，则向量,,-+也是空间的一个基底。

新北师大版高中数学高中数学选修2-1第二章《空间向量与立体几何》测试题(有答案解析)(3)

一、选择题1．在四面体OABC 中，空间的一点OM 满足1126OM OA OB OC λ=++，若MA ，MB ，MC 共面，则λ=（）A ．12B ．13C ．512D ．7122．定义向量的外积：a b ⨯叫做向量a 与b 的外积，它是一个向量，满足下列两个条件：（1）a a b ⊥⨯，b a b ⊥⨯，且a ，b 和a b ⨯构成右手系（即三个向量两两垂直，且三个向量的方向依次与拇指、食指、中指的指向一致）；（2）a b ⨯的模sin ,a b a b a b ⨯=⋅（,a b 表示向量a 、b 的夹角）；如图，在正方体1111ABCD A BC D -，有以下四个结论：①1AB AC ⨯与1BD 方向相反； ②AB AC BC AB ⨯=⨯；③6BC AC ⨯与正方体表面积的数值相等； ④()1AB AB CB ⨯⋅与正方体体积的数值相等. 这四个结论中，正确的结论有（）个 A ．4B ．3C ．2D ．13．如图，在几何体111ABC A B C -中，ABC ∆为正三角形，111////AA BB CC ，1AA ⊥平面ABC ，若E 是棱11B C 的中点，且1112AB AA CC BB ===，则异面直线1A E 与1AC 所成角的余弦值为（）A ．1313B ．21313C ．2613D ．226134．在边长为2的菱形ABCD 中，23BD =，将菱形ABCD 沿对角线AC 对折，使二面角B AC D --的余弦值为13，则所得三棱锥A BCD -的内切球的表面积为（） A ．43π B ．πC ．23π D ．2π 5．已知长方体1111ABCD A BC D -的底面AC 为正方形，1AA a =，AB b =，且a b >，侧棱1CC 上一点E 满足13CC CE =，设异面直线1A B 与1AD ，1A B 与11D B ，AE 与11D B 的所成角分别为α，β，γ，则 A ．αβγ<<B ．γβα<<C ．βαγ<<D ．αγβ<<6．如图，已知平行六面体1111ABCD A BC D -中，底面ABCD 是边长为1的正方形，12AA =， 011120A AB A AD ∠=∠=，则线段1AC 的长为（）A 2B ．1C ．2D 37．若向量(3,1,0)a =，(1,0,)b z =，,3a b π=，则实数z 的值为（）A 2B ．2C ．2±D ．2±8．已知()()2,,,1,21,0a t t b t t ==--，则b a -的最小值是( ) A 2B 3C 5D 69．记动点P 是棱长为1的正方体1111-ABCD A BC D 的对角线1BD 上一点，记11D PD Bλ=．当APC ∠为钝角时，则λ的取值范围为( ) A ．(0,1)B ．1(,1)3C ．1(0,)3D ．(1,3)10．如图，在棱长都相等的正三棱柱111ABC A B C -中，D 是棱1CC 的中点，E 是棱1AA 上的动点.设AE x =，随着x 增大，平面BDE 与底面ABC 所成锐二面角的平面角是（）A ．增大B ．先增大再减小C ．减小D ．先减小再增大11．如图，在长方体ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1中，DC ＝2，DA ＝DD 1＝1，点M 、N 分别为A 1D 和CD 1上的动点，若MN ∥平面AA 1C 1C ，则MN 的最小值为（）A ．53B ．23C ．56D ．5212．已知正方体ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1，点E 为平面BCC 1B 1的中心，则直线DE 与平面ACD 1所成角的余弦值为（） A ．14B ．13C ．33D ．233二、填空题13．在直三棱柱111ABC A B C -中，90ACB ∠=，12AA =，1AC BC ==，则异面直线1A B 与1AC 所成角的余弦值是_____________．14．在正方体1111ABCD A B C D -中，M 、N 分别是11A B 、11A C 的中点，则异面直线BM 与AN 所成角的余弦值为______．15．正四棱锥S ABCD -的八条棱长都相等，SB 的中点是E ，则异面直线AE ，SD 所成角的余弦为__________．16．在正方体1111ABCD A BC D -中，M 为棱11A B 的中点，则异面直线AM 与1BC 所成的角的大小为________（结果用反三角函数值表示）.17．已知向量,,a b c 是空间的一个单位正交基底，向量,,a b a b c +-是空间的另一个基底．若向量m 在基底,,a b c 下的坐标为()1,2,3，则m 在基底,,a b a b c +-下的坐标为 _________18．已知平行六面体中，则____．19．在棱长为2的正方体△ABCD -A 1B 1C 1D 1中，M 、N 分别是A 1B 1、CD 的中点，则点B 到截面AMC 1N 的距离为_____.20．已知平面α⊥平面β，且l αβ⋂=，在l 上有两点A ，B ，线段AC α⊂，线段BD β⊂，并且AC l ⊥，BD l ⊥，6AB =，24BD =，8AC =，则CD =______．三、解答题21．如图，在棱长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，E 、F 、M 、N 分别是棱AB 、AD 、11A B 、11A D 的中点，点P 、Q 分别在棱1DD 、1BB 上移动，且()02DP BQ λλ==<<.（1）当1λ=时，证明：直线1//BC 平面EFPQ ；（2）是否存在λ，使面EFPQ 与面PQMN 所成的二面角为直二面角？若存在，求出λ的值；若不存在，说明理由.22．如图，四棱锥P ABCD -的底面为直角梯形，且AB AD ⊥，BC //AD ，BC AB =112AD ==，10PA PD ==，平面PAD ⊥平面ABCD ，点M 为棱PD 上动点.（1）当M 为PD 的中点时，平面PAB ⋂平面PCD =l ，求证：l //平面ACM ；（2）是否存在点M 使二面角M AC D --的余弦值为2211，若存在，请确定M 的位置；若不存在，请说明理由.23．如图，在四棱锥E ABCD -中，平面ADE ⊥平面ABCD O M ，，分别为线段AD DE ，的中点．四边形BCDO 是边长为1的正方形，,AE DE AE DE =⊥．（Ⅰ）求证：//CM 平面ABE ；（Ⅱ）求直线DE 与平面ABE 所成角的正弦值；（Ⅲ）点N 在直线AD 上，若平面BMN ⊥平面ABE ，求线段AN 的长．24．将边长为2的正方形ABCD 沿对角线BD 折叠，使得平面ABD ⊥平面CBD ，AE ⊥平面ABD ，且2AE =.（1）求直线DE 与直线AC 所成的角；（2）求二面角B ED C --的余弦值.25．已知三棱锥,A BCD ABD -和BCD △是边长为2的等边三角形，平面ABD ⊥平面BCD（1）求证：AC BD ⊥；（2）设G 为BD 中点，H 为ACD △内的动点(含边界)，且//GH 平面ABC ，求直线GH 与平面ACD 所成角的正弦值的取值范围.26．如图，四棱锥中P ABCD -中，底面ABCD 是直角梯形，//AB CD ，60DAB ∠=︒，2AB AD CD ==，侧面PAD ⊥底面ABCD ，且PAD △为等腰直角三角形，90APD ∠=︒．（Ⅰ）求证：AD PB ⊥；（Ⅱ）求平面PAD 与平面PBC 所成锐二面角的余弦值．【参考答案】***试卷处理标记，请不要删除一、选择题 1．B 解析：B 【分析】根据向量共面定理求解．【详解】由题意1126MA OA OM OA OB OC λ=-=--， 1526MB OB OM OA OB OC λ=-=-+-，11(1)26MC OC OM OA OB OC λ=-=--+-，∵MA ，MB ，MC 共面，∴在在实数唯一实数对(,)m n ，使得MA mMB nMC =+，1126OA OB OC λ--1511(1)2626m OA OB OC n OA OB OC λλ⎛⎫⎡⎤=-+-+--+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，∴111222511666(1)m n m n m n λλλ⎧--=⎪⎪⎪-=-⎨⎪-+-=-⎪⎪⎩，解得132313m n λ⎧=-⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪=⎪⎩．故选：B ．【点睛】结论点睛：本题考查空间向量共面定理．空间上任意三个不共面的向量都可以作为一个基底，其他向量都可用基底表示，且表示方法唯一．,,OA OB OC 是不共面的向量，OM xOA yOB zOC =++，则,,,M A B C 共面⇔1x y z ++=． 2．D解析：D 【分析】根据外积的定义逐项判断即可得到结果. 【详解】对于①，根据向量外积的第一个性质可知1AB AC ⨯与1BD 方向相同，故①错误；对于②，根据向量外积的第一个性质可知AB AC ⨯与BC AB ⨯方向相反，不会相等，故②错误；对于③，根据向量外积的第二个性质可知sin4ABCDBC AC BC AC Sπ⨯=⋅⋅=，则6BC AC ⨯与正方体表面积的数值相等，故③正确；对于④，1AB AB ⨯与CB 的方向相反，则()10AB AB CB ⨯⋅<，故④错误. 故选：D. 【点睛】本题考查正方体的性质和信息迁移，解题的关键在于依据新概念的性质进行推理论证，属难题.3．C解析：C 【解析】【分析】以C 为原点，在平面ABC 内过C 作BC 的垂线为x 轴，CB 为y 轴，CC 1为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出异面直线A 1E 与AC 1所成角的余弦值【详解】以C 为原点，在平面ABC 内过C 作BC 的垂线为x 轴， CB 为y 轴，CC 1为z 轴，建立空间直角坐标系，设AB ＝AA 1＝CC 1＝2BB 1＝2，则A 1（3，1，2），A （310，，），C 1（0，0，2），B 1（0，2，1），E （0，1，32）， 1A E =（3-，0，12-），1AC =（3-，﹣1，2），设异面直线A 1E 与AC 1所成角为θ，则cosθ1111226131384A E AC A E AC ⋅===⋅⋅． ∴异面直线A 1E 与AC 1所成角的余弦值为2613．故选C ．【点睛】本题考查异面直线所成角的余弦值的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是基础题．4．C解析：C 【分析】作出图形，利用菱形对角线相互垂直的性质得出DN ⊥AC ，BN ⊥AC ，可得出二面角B ﹣AC﹣D 的平面角为∠BND ，再利用余弦定理求出BD ，可知三棱锥B ﹣ACD 为正四面体，可得出内切球的半径R ，再利用球体的表面积公式可得出答案．【详解】如下图所示，易知△ABC 和△ACD 都是等边三角形，取AC 的中点N ，则DN ⊥AC ，BN ⊥AC ．所以，∠BND 是二面角B ﹣AC ﹣D 的平面角，过点B 作BO ⊥DN 交DN 于点O ，可得BO ⊥平面ACD ．因为在△BDN 中，3BN DN ==，所以，BD 2＝BN 2+DN 2﹣2BN •DN •cos ∠BND 1332343=+-⨯⨯=，则BD ＝2．故三棱锥A ﹣BCD 为正四面体，则其内切球半径为正四面体高的14，又正四面体的高为棱6，故662R ==因此，三棱锥A ﹣BCD 的内切球的表面积为226244(3R πππ=⨯=．故选C ．【点睛】本题考查几何体的内切球问题，解决本题的关键在于计算几何体的棱长确定几何体的形状，考查了二面角的定义与余弦定理，考查计算能力，属于中等题．5．A解析：A 【分析】根据题意将异面直线平移到同一平面，再由余弦定理得到结果. 【详解】根据题意将异面直线平移到同一平面中，如上图，显然α，β，(0,]2πγ∈，因为a b >，异面直线1A B 与1AD 的夹角即角1AD C ，根据三角形1AD C 中的余弦定理得到222211cos 21()a b a b aα==>++，故(0,)3πα∈，同理在三角形1A DB 中利用余弦定理得到：2221cos 222()1a a b bβ==<⋅+⋅+，故(,)32ππβ∈，连接AC ，则AC 垂直于BD ，CE 垂直于BD ，AC 交CE 于C 点，故可得到BD 垂直于面ACE ，进而得到BD 垂直于AE ，而BD 平行于11D B .从而得到2πγ=，故αβγ<<. 故答案为A. 【点睛】这个题目考查了异面直线夹角的求法，一般是将异面直线平移到同一平面中，转化到三角形中进行计算，或者建立坐标系，求解两直线的方向向量，两个方向向量的夹角就是异面直线的夹角或其补角.6．A解析：A 【分析】由11AC AB BC CC =++，两边平方，利用数量积的运算法则及数量积公式能求出21AC 的值，从而可得结果. 【详解】平行六面体1111ABCD A BC D -中，底面ABCD 是边长为1的正方形，1112,120AA A AB A AD =∠=∠=，11AC AB BC CC ∴=++， ()2211AC AB BC CC ∴=++222111222AB BC CC AB CC BC CC AB BC =+++⋅+⋅+⋅114212cos120212cos12002=+++⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+=，∴线段1AC 的长为12AC = A.【点睛】本题主要考查利用空间向量求线段的长，考查向量数量积的运算法则，属于中档题.向量数量积的运算主要掌握两点：一是数量积的基本公式cos a b a b θ⋅=；二是向量的平方等于向量模的平方22a a =.7．C解析：C 【解析】分析：根据两个向量的数量积的定义式，推导出其所成角的余弦公式，从而利用cos ,a b a b a b⋅<>=，结合22a a =，将有关量代入求得z 的值，得到结果.详解：根据题意得31cos ,23a b ⨯===+，化简得22z =，解得z = C.点睛：该题考查的是有关向量夹角余弦公式的问题，在解题的过程中，需要把握住向量夹角余弦公式，再者就是向量的模的平方和向量的平方是相等的，还有就是向量的模的坐标运算式.8．A解析：A 【解析】解：由题意可知：()1,1,b a t t t -=---- ，则：(b a t -=--= ，即b a - 本题选择A 选项.点睛：本题的模长问题最终转化为二次函数求最值的问题.二次函数、二次方程与二次不等式统称“三个二次”，它们常结合在一起，有关二次函数的问题，数形结合，密切联系图象是探求解题思路的有效方法．一般从：①开口方向；②对称轴位置；③判别式；④端点函数值符号四个方面分析．9．B解析：B 【分析】建立空间直角坐标系，利用∠APC 不是平角，可得∠APC 为钝角等价于cos ∠APC ＜0，即，从而可求λ的取值范围．【详解】由题设，建立如图所示的空间直角坐标系D-xyz ，则有A （1，0，0），B （1，1，0），C （0，1，0），1D （0，0，1） ∴ =（1，1，-1），∴ =（λ，λ，-λ），∴=+=（-λ，-λ，λ）+（1，0，-1）=（1-λ，-λ，λ-1） =+ =（-λ，-λ，λ）+（0，1，-1）=（-λ，1-λ，λ-1）显然∠APC 不是平角，所以∠APC 为钝角等价于cos ∠APC ＜0 ∴ 0PA PC ⋅<∴（1-λ）（-λ）+（-λ）（1-λ）+（λ-1）（λ-1）=（λ-1）（3λ-1）＜0，得＜λ＜1 因此，λ的取值范围是（，1），故选B.点评：本题考查了用空间向量求直线间的夹角，一元二次不等式的解法，属于中档题．10．D解析：D 【分析】设正三棱柱111ABC A B C -棱长为2，设平面BDE 与底面ABC 所成锐二面角为α，,02AE x x =≤≤，以A 为坐标原点建立空间直角坐标系，确定出,,B D E 点的坐标，求出平面BDE 的法向量m ，底面ABC 的法向量坐标为(0,0,1)n =，将cos α表示为关于x 的函数，通过讨论cos α的增减变化，即可求出结论. 【详解】设正三棱柱111ABC A B C -棱长为2，,02AE x x =≤≤，设平面BDE 与底面ABC 所成锐二面角为α，以A 为坐标原点，过点A 在底面ABC 内与AC 垂直的直线为x 轴，1,AC AA 所在的直线分别为,y z 轴建立空间直角坐标系，则(3,1,0),(0,2,1),(0,0,),(3,1,1),(0,2,1)B D E x BD ED x =-=-，设平面BDE 的法向量(,,)m s t k =，则m BDm ED ⎧⊥⎨⊥⎩，即302(1)0s t k t x k ⎧-++=⎪⎨+-=⎪⎩，令23k =，则33,1t x s x =-=+，所以平面BDE 的一个法向量(1,33,23)m x x =+-，底面ABC 的一个法向量为(0,0,1)n =，222233cos |cos ,|115(1)3(1)12()24m n x x x α=<>==++-+-+当1(0,)2x ∈，cos α随着x 增大而增大，则α随着x 的增大而减小，当1(,2)2x ∈，cos α随着x 增大而减小，则α随着x 的增大而增大. 故选：D.【点睛】本题考查空间向量法求二面角，应用函数思想讨论二面角的大小，考查直观想象、数学计算能力，素养中档题.11．A解析：A 【分析】先建立空间坐标系，设出(),0,M m m ，()0,22,N n n -+，转化条件得1m n +=，利用函数即可得解. 【详解】如图建系，由题意可设(),0,M m m ，()0,22,N n n -+，∴(),22,MN m n n m =---，又 ()10,0,1AA =，()1,2,0AC =-，∴平面11AAC C 的法向量()2,1,0n =，又 //MN 面11AACC ，∴=0MN n ⋅即1m n +=，∴()()2222222941MN m n n m m m =+-+-=-+，∴MN 最小值为故选：A. 【点睛】本题考查了空间向量的应用，考查了转化化归和函数思想，属于中档题.12．B解析：B 【分析】如图所示，建立空间之间坐标系，设正方体边长为1，则()0,0,0D ，11,1,22E ⎛⎫⎪⎝⎭.易知平面1ACD 的法向量为()1,1,1n =，计算夹角得到答案. 【详解】如图所示，建立空间之间坐标系，设正方体边长为1，则()0,0,0D ，11,1,22E ⎛⎫⎪⎝⎭. 根据1,n AC n AD ⊥⊥得到平面1ACD 的法向量为()1,1,1n =，11,1,22DE ⎛⎫= ⎪⎝⎭，故22cos 3n DE n DEα⋅==⋅，故1sin 3α=，直线DE 与平面ACD 1所成角θ，满足1cos sin 3θα==. 故选：B .【点睛】本题考查了线面夹角，意在考查学生的空间想象能力和计算能力.二、填空题13．【分析】先找出线面角运用余弦定理进行求解【详解】连接交于点取中点连接则连接为异面直线与所成角在中同理可得异面直线与所成角的余弦值是故答案为【点睛】本题主要考查了异面直线所成的角考查了空间想象能力运算解析：3010【分析】先找出线面角，运用余弦定理进行求解【详解】连接1AB 交1A B 于点D ，取11B C 中点E ，连接DE ，则1DE AC ，连接1A E1A DE ∴∠为异面直线1A B 与1AC 所成角在111RtAC B 中，111AC =，1111122C E C B == 15A E ∴=同理可得1A D =DE =2221cos A DE +-∠==, ∴异面直线1A B 与1AC所成角的余弦值是10【点睛】本题主要考查了异面直线所成的角，考查了空间想象能力，运算能力和推理论证能力，属于基础题．14．【解析】【分析】由题意设正方体的棱长为2建立如图所示空间直角坐标系利用空间向量求解即可得到答案【详解】设正方体的棱长为2建立如图所示空间直角坐标系则0211异面直线BM 与AN 所成角的余弦值为故答案为【解析】【分析】由题意，设正方体的棱长为2，建立如图所示空间直角坐标系，利用空间向量求解，即可得到答案．【详解】设正方体的棱长为2，建立如图所示空间直角坐标系，则A(2,0，0)，B(2,2，0)，M(2,1，2)，N(1,1，2)，()BM 0,1,2∴=-，()AN 1,1,2=-，BM AN cos BM,AN 5BM AN⋅∴===⋅∴异面直线BM 与AN【点睛】本题主要考查了空间向量在立体几何中的应用，其中解答中根据几何体的结构特征，建立适当的空间直角坐标系，利用向量的夹角公式求解是解答的关键，着重考查了推理与运算能力，属于基础题．15．【解析】以正方形的中心为原点平行于的直线为轴平行于的直线为轴为轴建立如图所示空间直角坐标系设四棱锥棱长为则所以∴故异面直线所成角的余弦值为解析：33【解析】以正方形ABCD 的中心O 为原点，平行于AB 的直线为x 轴，平行于AD 的直线为y 轴，SO 为z 轴建立如图所示空间直角坐标系O xyz -，设四棱锥S ABCD -棱长为2，则(1,1,0)A --，(1,1,0)B -，2)S ，(1,1,0)D -，112,22E ⎛- ⎝⎭，所以312,22AE ⎛= ⎝⎭，(1,1,2)SD =--，∴311322cos ,3911112442AE SD -+-==-++⋅++故异面直线AE ，SD 所成角的余弦值为33． 16．【分析】以D 为原点DA 为x 轴DC 为y 轴DD1为z 轴建立空间直角坐标系利用向量法能求出异面直线AM 与B1C 所成的角【详解】以D 为原点DA 为x 轴DC 为y 轴DD1为z 轴建立空间直角坐标系设正方体ABCD ﹣ 解析：10arccos5【分析】以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，DD 1为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出异面直线AM 与B 1C 所成的角．【详解】以D 为原点，DA 为x 轴，DC 为y 轴，DD 1为z 轴，建立空间直角坐标系，设正方体ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1棱长为2，则A （2，0，0），M （2，1，2），B 1（2，2，2），C （0，2，0），AM =（0，1，2），1BC =（﹣2，0，2），设异面直线AM 与B 1C 所成的角为θ， cosθ11410558AM B C AM B C⋅===⨯⋅． ∴θ105arccos=． ∴异面直线AM 与B 1C 所成的角为arccos 105．故答案为：105arccos．【点睛】本题考查异面直线所成角的求法，是基础题，解题时要认真审题，注意向量法的合理运用．17．【解析】由题意可知：即在基底下的坐标为解析：31,,322⎛⎫- ⎪⎝⎭【解析】由题意可知：()()3123322m a b c a b a b c =++=+--+ ，即m 在基底,,a b a b c +-下的坐标为31,,322⎛⎫-⎪⎝⎭. 18．【解析】试题分析：因为在平行六面体中所以则考点：本题考查的知识点是点线面间的距离计算考查空间两点之间的距离运算根据已知条件构造向量将空间两点之间的距离转化为向量模的运算是解答本题的关键解析：【解析】试题分析：因为在平行六面体中，，所以,则．考点：本题考查的知识点是点、线、面间的距离计算，考查空间两点之间的距离运算，根据已知条件，构造向量，将空间两点之间的距离转化为向量模的运算，是解答本题的关键．19．【分析】建立空间直角坐标系利用香炉峰能求出点B 到截面的距离得到答案【详解】如图所示建立空间直角坐标系因为棱长为2的正方体中分别是的中点所以则设平面的法向量为则取得所以点B 到截面的距离为【点睛】本题主 26【分析】建立空间直角坐标系D xyz -，利用香炉峰能求出点B 到截面1AMC N 的距离，得到答案. 【详解】如图所示，建立空间直角坐标系D xyz -，因为棱长为2的正方体1111ABCD A BC D -中，,M N 分别是11,A B CD 的中点，所以(2,0,0),(2,1,2),(0,1,0),(2,2,0)A M N B ，则(0,1,2),(2,1,0),(0,2,0)AM AN AB ==-=，设平面AMN 的法向量为(,,)n x y z =，则2020y z x y +=⎧⎨-+=⎩，取1x =，得(1,2,1)n =-，所以点B 到截面1AMC N 的距离为42636AB n d n⋅===.【点睛】本题主要考查了利用空间向量求解点到平面的距离问题，其中解答中建立适当的空间直角坐标系，正确求解平面的法向量，利用向量法准确计算是解答的关键，着重考查了推理与计算能力，属于中档试题.20．26【分析】推导出=从而=（）2=由此能出CD 【详解】∵平面α⊥平面β且α∩β=l 在l 上有两点AB 线段AC ⊂α线段BD ⊂βAC ⊥lBD ⊥lAB=6BD=24AC=8∴=∴=（）2==64+36+57解析：26 【分析】推导出CD =CA AB BD ++，从而2CD =（CA AB BD ++）2=222CA AB BD ++，由此能出CD ．【详解】∵平面α⊥平面β，且α∩β=l ，在l 上有两点A ，B ，线段AC ⊂α，线段BD ⊂β， AC ⊥l ，BD ⊥l ，AB=6，BD=24，AC=8， ∴CD =CA AB BD ++， ∴2CD =（CA AB BD ++）2 =222CA AB BD ++ =64+36+576 =676， ∴CD=26．故答案为26．【点睛】本题考查两点间距离的求法，考查线段长的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查推理论证能力、运算求解能力、空间想象能力，考查化归与转化思想、数形结合思想，是中档题．三、解答题21．（1）证明见解析；（2）存在，212λ=±. 【分析】（1）以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系，证明出1//BC FP ，利用线面平行的判定定理可证得1//BC 平面EFPQ ；（2）计算出面EFPQ 与面PQMN 的法向量，由已知条件得出这两个平面的法向量垂直，结合02λ<<求出实数λ的值，即可得解. 【详解】（1）证明：以点D 为坐标原点，DA 、DC 、1DD 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立如下图所示的空间直角坐标系，则()2,2,0B 、()10,2,2C 、()2,1,0E 、()1,0,0F ，当1λ=时，()0,0,1P ，()12,0,2BC =-，()1,0,1FP =-，12BC FP ∴=，1//BC FP ∴， 1BC ⊄平面EFPQ ，FP ⊂平面EFPQ ，因此，1//BC 平面EFPQ ；（2）()2,1,0E 、()1,0,0F 、()0,0,P λ、()1,0,2N 、()2,1,2M ，设平面EFPQ 的一个法向量为()111,,m x y z =，()1,1,0EF =--，()1,0,FP λ=-，由00m EF m FP ⎧⋅=⎨⋅=⎩，可得111100x y x z λ--=⎧⎨-+=⎩，取1x λ=，则1y λ=-，11z =，(),,1m λλ=-，设平面PQMN 的一个法向量为()222,,n x y z =，()1,1,0MN =--，()1,0,2NP λ=--，由00n MN n NP ⎧⋅=⎨⋅=⎩，可得()2222020x y x z λ--=⎧⎨-+-=⎩，取22x λ=-，则22y λ=-，21z =，()2,2,1n λλ∴=--，若存在λ，使得面EFPQ 与面PQMN 所成的二面角为直二面角，则m n ⊥. 且()()2210m n λλλλ⋅=---+=，整理可得22410λλ-+=，02λ<<，解得1λ=±因此，存在1λ=±EFPQ 与面PQMN 所成的二面角为直二面角. 【点睛】方法点睛：立体几何开放性问题求解方法有以下两种：（1）根据题目的已知条件进行综合分析和观察猜想，找出点或线的位置，然后再加以证明，得出结论；（2）假设所求的点或线存在，并设定参数表达已知条件，根据题目进行求解，若能求出参数的值且符合已知限定的范围，则存在这样的点或线，否则不存在．22．（1）证明见解析；（2）M 为PD 的靠近点P 三等分点时，二面角M AC D --的. 【分析】（1）延长,AB DC 交于Q ，连接PQ ，PQ 即为直线l ，证明//MC PQ 即可得线面平行；（2）取AD 的中点O ，连接OP ，OC ，分别以OC ，OD ，OP 为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系-O xyz .设DM DP λ=，利用空间向量法求二面角的余弦，由已知余弦值可求得λ，即存在．【详解】（1）延长,AB DC 交于Q ，连接PQ .则易知PQ 为平面PAB 与平面PCD 的交线，即：PQ 与l 重合.由题意，在ADQ △中：//BC AD ，且12BC AD =，故C 为DQ 的中点.又∵M 为PD 的中点，∴//MC PQ . 又∵MC ⊂平面ACM ，PQ ⊄平面ACM ， ∴//PQ 平面ACM ，即//l 平面ACM .（2）取AD 的中点O ，连接OP ，OC ，由题意可得：OP AD ⊥，OC AD ⊥. 又∵平面PAD ⊥平面ABCD ，则OP ⊥平面ABCD ,∴分别以OC ，OD ，OP 为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系-O xyz . 则()0,1,0A -，()1,0,0C ，()0,1,0D ，()0,0,3P ，()0,1,3DP =-，()0,2,0AD =，()1,1,0AC =∵M 在棱PD 上，不妨设()()0,1,30,,3DM DP λλλλ==-=-，其中01λ≤≤.∴AM AD DM =+()()0,2,00,,3λλ=+-()0,2,3λλ=-，设平面MAC 的一个法向量为(),,m x y z =，则00m AM m AC ⎧⋅=⎨⋅=⎩即()2300y z x y λλ⎧-+=⎨+=⎩，令2z λ=-解得：3y λ=-，3x λ=.即()3,3,2m λλλ=--. 又∵平面ACD 的一个法向量()0,0,1m =. ∴()()()222222cos ,332m n λλλλ-<>==+-+-23λ=. 所以，M 为PD 的靠近点P 三等分点时，二面角M AC D --的余弦值为2211. 【点睛】方法点睛：本题考查证明线面平行，求二面角．求二面角的方法：（1）几何法（定义法）：根据定义作出二面角的平面角并证明，然后解三角形得出结论；（2）空间向量法：建立空间直角坐标系，写出各点为坐标，求出二面角两个面的法向量，由两个平面法向量的夹角得二面角（它们相等或互补）． 23．（Ⅰ）证明见解析；（Ⅱ6；（Ⅲ）53.【分析】（Ⅰ）取AE 中点P ，连接BP 、MP ，根据题意可得四边形BCMP 为平行四边形，根据线面平行的判定定理，即可得证；（Ⅱ）连接EO ，根据面面垂直的性质定理，可证得EO OB ⊥, EO OD ⊥，以O 为原点，分别以OB ，OD ，OE 为x ，y ，z 轴正方向建系，分别求得CM ，BD 的坐标，利用夹角公式，即可求得结果；（Ⅲ）设ON OD λ=，则可得N 点坐标，即可求得平面BMN 的法向量n ，同理可求得平面ABE 的法向量m ，根据题意，可得0m n ⋅=，即可求得λ的值，即可得答案. 【详解】解：（Ⅰ）取AE 中点P ，连接MP BP ，，因为M 为线段DE 的中点，所以1//2MP AD MP AD =，，因为四边形BCDO 是正方形， O 为线段AD 的中点，所以1//2BC AD BC AD =，，即//BC OD BC OD =，，所以//BC MP BC MP =，所以四边形BCMP 为平行四边形．所以//MC BP ，又因为MC ⊂/平面ABE ，BP ⊂平面ABE ，所以//CM 平面ABE ；（Ⅱ）因为AE DE O =，为线段AD 的中点，连接EO ，则⊥EO AD ，因为平面ADE ⊥平面ABCD ，平面ADE平面ABCD AD =，EO ⊂平面ADE所以EO ⊥平面ABCD ，又因为OB ⊂平面ABCD ，所以EO OB ⊥，又因为OB OD ⊥，所以OE OB OD ，，三线两两垂直．以O 为原点，以OB 为x 轴，以OD 为y 轴，以OE 为z 轴建立直角坐标系，如图所示，依题意可知(0,1,0),(1,0,0),(0,0,1),(0,1,0)A B E D -设平面ABE 的一个法向量为(,,)m x y z =，因为(1,1,0),(0,1,1)AB AE ==，因为00AB m AE m ⎧⋅=⎨⋅=⎩，所以0x y y z +=⎧⎨+=⎩，令1z =得11y x =-=，，所以(1,1,1)m =- 因为(0,1,1)DE =-，设DE 与平面ABE 所成角为θ，则6sin |cos ,|32m DE θ=〈〉==⨯，所以直线DE 与平面ABE 6；（Ⅲ）设(0,,0)ON OD λλ==，则(0,,0)N λ，因为11110,,,1,,,(1,,0)2222M MB BN λ⎛⎫⎛⎫=--=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，设平面BMN 的一个法向量为(,,)n x y z =，因为00MB n BN n ⎧⋅=⎨⋅=⎩，所以11022x y z x y λ⎧--=⎪⎨⎪-+=⎩，令1y =得21x z λλ==-，，所以(,1,21)n λλ=-，因为平面BMN ⊥平面ABE ，所以0m n ⋅= 故1210λλ-+-=，解得23λ=，即2(0,,0)3N ，故线段25133AN AO ON =+=+=．【点睛】方法点睛：求空间角的常用方法：（1）定义法，由异面直线所成角、线面角、二面角的定义，结合图形，作出所求空间角，再结合题中条件，解对应三角形，即可求出结果；（2）向量法：建立适当的空间直角坐标系，通过计算向量夹角（直线方向向量与直线方向向量、直线方向向量与平面法向量，平面法向量与平面法向量）余弦值，即可求出结果. 24．（1）2π；（2）12.【分析】由题意可得AB AD ⊥，AE AB ⊥，AE AD ⊥，以A 为坐标原点，分别以AB ，AD ，AE 所在直线为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系，分别求出所用点的坐标．（1）分别求出,DE AC 的坐标，由0DE AC =可得直线DE 与直线AC 所成的角；（2）分别求出平面BED 的一个法向量与平面EDC 的一个法向量，由两法向量所成角的余弦值可得二面角B ED C --的余弦值．【详解】如图，由题意，AB AD ⊥，AE AB ⊥，AE AD ⊥，以A 为坐标原点，分别以AB ，AD ，AE 所在直线为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系：则()0,0,0A ，()2,0,0B ，(2C ，()0,2,0D ，(2E ，（1）(0,2DE =-，(2AC =，220DE AC ⋅=-+=，∴直线DE 与直线AC 所成的角为π2；（2）设平面BED 的一个法向量为()111,,m x y z =，(2BE =-，(0,2DE =-，由1111220220m BE x z m DE y z ⎧⋅=-+=⎪⎨⋅=-=⎪⎩，取12z (2m =；设平面EDC 的一个法向量为()222,,n x y z =，(0,2DE =-，()1,1,0EC =，由2222200n DE y n EC x y ⎧⋅=-=⎪⎨⋅=+=⎪⎩，取2z =(1,1,n =-.21cos ,222m n m n m n⋅∴===⨯⋅， ∴二面角B ED C --的余弦值为12. 【点睛】本题考查了立体几何中的异面直线所成的角和二面角的求解问题，意在考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力；解答本题关键在于能利用直线与直线、直线与平面、平面与平面关系的相互转化，通过严密推理，同时对于立体几何中角的计算问题，往往可以利用空间向量法，通过求解平面的法向量，利用向量的夹角公式求解.25．（1）证明见解析；（2）⎣⎦. 【分析】()1证明：取BD 中点G ，连接,AG CG .根据三角形的性质和线面垂直的判定和性质可得证；()2以G 为原点，以GC 所在直线为x 轴，以GD 所在直线为y 轴建立空间直角坐标系. 取AD 中点,E CD 中点F ，连接,,GE GF EF ，则平面//GEF 平面,ABC 所以H 在线段EF 上运动，设1)0(EH EF λλ=≤≤，运用线面角的空间向量求解方法和二次函数的性质可求得范围. 【详解】()1证明：取BD 中点G ，连接,AG CG .ABD 和BCD △是等边三角形，AG BDCG BD AG BD G ⊥⎧⎪∴⊥⇒⎨⎪⋂=⎩BD ⊥面ACG ，AC ⊂面ACG ⇒AC BD ⊥； ()2以G 为原点，以GC 所在直线为x 轴，以GD 所在直线为y 轴建立空间直角坐标系. 取AD 中点,E CD 中点F ，连接,,GE GF EF ，则平面//GEF 平面,ABC 所以H 在线段EF 上运动，则()(),0,0,00,1,0G B -，)()0,1,,,(00,CD A ，,110,,,02222E F ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭设1)0(EH EFλλ=≤≤，31,,2222GH λ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭.设平面ACD 的一个法向量(),,n x y z =，则00n AC n CD ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即3303+0x z x y ⎧-=⎪⎨-=⎪⎩，平面的一个法向量()1,3,1n =，设直线GH 与平面ACD 所成角为θ，则231526sin ,55335122GH n GH nθλλ⎡⎤⋅==∈⎢⎥⎣⎦⋅-+.所以直线GH 与平面ACD 所成角的正弦值的范围为1526,55⎡⎤⎢⎥⎣⎦.【点睛】本题考查线面垂直的判定和性质，以及运用向量法求线面角的方法，关键在于得出动点运动的轨迹，运用向量的线性关系，设出动点的坐标，属于中档题. 26．（Ⅰ）证明见解析；（Ⅱ39. 【分析】（Ⅰ）取AD 的中点G ，连结PG 、GB 、BD ，根据PA PD =和ABD △是正三角形，证明AD ⊥平面PGB 即可.（Ⅱ）根据侧面PAD ⊥底面ABCD ，PG AD ⊥，易得直线GA 、GB 、GP 两两互相垂直，以G 为原点，直线GA 、GB 、GP 所在直线为x 轴、y 轴和z 轴建立空间直角坐标系G xyz -，求得平面PBC 的一个法向量()000,,n x y z =，再由平面PAD 的一个法向量13,0)n GB a ==，设平面PAD 与平面PBC 所成锐二面角为θ，由11cos ||n n n n θ⋅=⋅求解.【详解】（Ⅰ）如图所示：取AD 的中点G ，连结PG 、GB 、BD ．PA PD =，PG AD ∴⊥AB AD =，且60DAB ∠=︒，ABD ∴是正三角形，BG AD ⊥，又PG BG G =，AD ∴⊥平面PGB ． AD PB ∴⊥（Ⅱ）∵侧面PAD ⊥底面ABCD ，又PG AD ⊥，PG ∴⊥底面ABCD ．PG BG ∴⊥．∴直线GA 、GB 、GP 两两互相垂直，故以G 为原点，直线GA 、GB 、GP 所在直线为x 轴、y 轴和z 轴建立如图所示的空间直角坐标系G xyz -．设PG a =，则可求得(0,0,)P a ，(,0,0)A a ，3,0)B a ，(,0,0)D a -，33,,022C a a ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭．3,,02BC a ⎛⎫∴=- ⎪ ⎪⎝⎭．(0,,)PB a ∴=-．设()000,,n x y z =是平面PBC 的一个法向量，则0n BC ⋅=且0n PB⋅=．000030,220.ax ay az ⎧--=⎪∴-=解得0000,.x y z ⎧=⎪⎨⎪=⎩ 取0y =(1,3,3)n =-．又∵平面PAD 的一个法向量1,0)n GB ==，设平面PAD 与平面PBC 所成锐二面角为θ，则11cos ||1313n nn n θ⋅===⋅+ 所以平面PAD 与平面PBC 【点睛】方法点睛：求二面角最常用的方法：1、几何法：二面角的大小用它的平面角来度量．平面角的作法常见的有①定义法；②垂面法．注意利用等腰、等边三角形的性质．向量法：分别求出二面角的两个面所在平面的法向量，然后通过两个平面的法向量的夹角得到二面角的大小，但要注意结合实际图形判断所求角是锐角还是钝角．。

(压轴题)高中数学高中数学选修2-1第二章《空间向量与立体几何》测试(包含答案解析)

一、选择题1．在四面体OABC 中，空间的一点OM 满足1126OM OA OB OC λ=++，若MA ，MB ，MC 共面，则λ=（）A ．12B ．13C ．512D ．7122．正方体''''ABCD A B C D -棱长为6，点P 在棱AB 上，满足PA PB =，过点P 的直线l 与直线''A D 、'CC 分别交于E 、F 两点，则EF =（） A ．313B ．95C ．18D ．213．已知直三棱柱111ABC A B C -中，190,1,2ABC AB BC CC ︒∠====，则异面直线1AB 与1BC 所成角的余弦值为（） A ．35B ．35C ．45D ．45-4．在空间四边形OABC 中，OA OB OC ==，3AOB AOC π∠=∠=，则cos ,OA BC的值为（） A ．0B ．2 C ．12-D ．125．如图，点P 在正方体1111ABCD A BC D -的面对角线1BC 上运动，则下列四个结论：①三棱锥1A D PC -的体积不变； 1//A P ②平面1ACD ； 1DP BC ⊥③；④平面1PDB 平面1ACD ．其中正确的结论的个数是( )A ．1个B ．2个C ．3个D ．4个6．如图，在正方体1111ABCD A B C D ﹣中，1A H ⊥平面11AB D ，垂足为H ，给出下面结论：①直线1A H 与该正方体各棱所成角相等； ②直线1A H 与该正方体各面所成角相等；③过直线1A H 的平面截该正方体所得截面为平行四边形； ④垂直于直线1A H 的平面截该正方体，所得截面可能为五边形，其中正确结论的序号为（）A ．①③B ．②④C ．①②④D ．①②③7．设平面α的一个法向量为1(1,2,2)n =-，平面β的一个法向量为2(2,4,)n k =--，若//αβ，则k = ( )A ．2B ．-4C ．-2D ．48．如图，在空间四边形OABC 中，点E 为BC 中点，点F 在OA 上，且2OF FA =, 则EF 等于（）A ．121+232OA OB OC - B ．211+322OA OB OC -+ C ．111222OA OB OC +- D ．211322OA OB OC -- 9．侧棱长都都相等的四棱锥P ABCD -中，下列结论正确的有（）个 ①P ABCD -为正四棱锥；②各侧棱与底面所成角都相等； ③各侧面与底面夹角都相等；④四边形ABCD 可能为直角梯形（） A ．1B ．2C ．3D ．410．如图所示，五面体ABCDE 中，正ABC ∆的边长为1，AE ⊥平面,ABC CD AE ∥，且12CD AE =.设CE 与平面ABE 所成的角为,(0)AE k k α=>，若ππ[,]64α∈，则当k 取最大值时，平面BDE 与平面ABC 所成角的正切值为（）A ．2 B ．1C ．2D ．311．已知平行六面体1111ABCD A BC D -中，11114AE AC =，若1BE xAB yAD zAA =++，则x 的值为（）A ．14B ．34-C ．1D ．1212．如图，一个结晶体的形状为平行六面体，其中，以顶点A 为端点的三条棱长都相等，且它们彼此的夹角都是60︒，若对角线1AC 的长是棱长的m 倍，则m 等于（）A 2B 3C ．1D ．2二、填空题13．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，90BAC ∠=︒，11AB AC AA ===，已知G 和E 分别为11A B 和1CC 的中点，D 和F 分别为线段AC 和AB 上的动点（不包括端点），若DG EF ⊥，则线段DF 长度的取值范围为______．14．如图，在四面体ABCD 中，若截面PQMN 是正方形，则有以下四个结论，其中结论正确的是__________________.（请将你认为正确的结论的序号都填上，注意：多填、错填、少填均不得分.）①//AC 截面PQMN ； ②AC BD ⊥； ③AC BD =；④异面直线PM 与BD 所成的角为045.15．ABC △中，90C ∠︒＝，60A ∠︒＝，2AB ＝，M 为AB 中点，将BMC △沿CM 折叠，当平面BMC ⊥平面AMC 时，A ，B 两点之间的距离为_____．16．已知向量=211a -（，，），(,1,1)b λ=-，若a 与b 的夹角为钝角，则λ的取值范围是______.17．在直三棱柱111A B C ABC -中，底面ABC 为直角三角形，2BAC π∠=，11AB AC AA ===. 已知Ｇ与Ｅ分别为11A B 和1CC 的中点，Ｄ与Ｆ分别为线段AC 和AB 上的动点（不包括端点）. 若GD EF ⊥，则线段DF 的长度的最小值为 .18．已知，若向量互相垂直，则k 的值为____．19．在直三棱柱111ABC A B C -中,若1BAC 90,AB ACAA ，则异面直线1BA 与1AC 所成的角等于_________20．在空间直角坐标系中，一点到三个坐标轴的距离都是1，则该点到原点的距离是________.三、解答题21．如图，在四棱锥P ABCD -中，AB //CD ，223AB DC ==，AC BD F ⋂=，且PAD △与ABD △均为正三角形，AE 为PAD △的中线，点G 在线段AE ，且2AG GE =.（1）求证：GF //平面PDC ；（2）若平面PAD ⊥平面ABCD ，求平面PAD 与平面GBC 所成锐二面角的余弦值. 22．如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 是矩形，PA ⊥平面ABCD ，E 为PD 上的动点．（1）若//PB 平面AEC ，请确定点E 的位置，并说明理由．（2）设2AB AP ==，3AD =，若13PE PD =，求二面角P AC E --的正弦值．23．如图，在四棱锥P ABCD -中，底面ABCD 为正方形，PA ⊥平面ABCD ，,M N 分别为棱,PD BC 的中点，2PA AB ==.(1)求证：//MN 平面PAB ；(2)求直线MN 与平面PCD 所成角的正弦值.24．如图，在四棱锥S ABCD -中，SA ⊥平面ABCD ，//AD BC ，AD AB ⊥，4AB AS ==，3AD =，6BC =，E 为SB 的中点．（1）求证：//AE 平面SCD ．（2）求二面角B AE C --的余弦值．25．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，12AA AB AC ===，AB AC ⊥，M 是棱BC 的中点，点P 在线段A 1B 上.（1）若P 是线段1A B 的中点，求直线MP 与平面11ABB A 所成角的大小；（2）若N 是1CC 的中点，平面PMN 与平面CMN 537，求线段BP 的长度.26．如图，在直三棱柱111ABC A B C -中，AB AC ⊥，2AB AC ==，14AA =，点D 是BC 的中点.（1）求异面直线1A B 与1C D 所成角的余弦值；（2）求平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值.【参考答案】***试卷处理标记，请不要删除一、选择题 1．B 解析：B 【分析】根据向量共面定理求解．【详解】由题意1126MA OA OM OA OB OC λ=-=--， 1526MB OB OM OA OB OC λ=-=-+-，11(1)26MC OC OM OA OB OC λ=-=--+-，∵MA ，MB ，MC 共面，∴在在实数唯一实数对(,)m n ，使得MA mMB nMC =+，1126OA OB OC λ--1511(1)2626m OA OB OC n OA OB OC λλ⎛⎫⎡⎤=-+-+--+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，∴111222511666(1)m n m n m n λλλ⎧--=⎪⎪⎪-=-⎨⎪-+-=-⎪⎪⎩，解得132313m n λ⎧=-⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪=⎪⎩．【点睛】结论点睛：本题考查空间向量共面定理．空间上任意三个不共面的向量都可以作为一个基底，其他向量都可用基底表示，且表示方法唯一．,,OA OB OC 是不共面的向量，OM xOA yOB zOC =++，则,,,M A B C 共面⇔1x y z ++=．2．C解析：C 【分析】画图分析可得过P 的直线l 与直线''A D 、'CC 的交点E 、F 在线段''D A 、'C C 的延长线上.再建立空间直角坐标系求解即可. 【详解】画图分析可得过P 的直线l 与直线''A D 、'CC 的交点E 、F 在线段''D A 、'C C 的延长线上.以A 为坐标原点建立如图空间直角坐标系,则设(,0,6)E e ,(6,6,)F f ,(0,3,0)P又,,E P F 共线,则EP PF λ=,故(,3,6)(6,3,)e f λ--=,故6133666e e f f λλλλ-==⎧⎧⎪⎪=⇒=-⎨⎨⎪⎪-==-⎩⎩.故(6,0,6)E -,(6,6,6)F -,则222(12)6(12)18EF =++=.故选：C 【点睛】本题主要考查了利用空间直角坐标系求解共线问题的方法等,属于中等题型.3．C解析：C【分析】以B 为原点，BA 为x 轴，BC 为y 轴，1BB 为z 轴，建立空间直角坐标系，利用向量法能求出异面直线1AB 与1BC 所成角的余弦值．【详解】解：以B 为原点，BA 为x 轴，BC 为y 轴，1BB 为z 轴，建立空间直角坐标系，则11(1,0,0),(0,0,2),(0,0,0),(0,1,2)A B B C ，11(1,0,2),(0,1,2)AB BC =-=，设异面直线1AB 与1BC 所成角为θ，则1111||4cos 5||||55AB BC AB BC θ⋅===⋅⋅.∴异面直线1AB 与1BC 所成角的余弦值为45.故选：C.【点睛】本题考查异面直线所成角的余弦值的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是基础题．4．A解析：A 【分析】利用OB OC =，以及两个向量的数量积的定义可得cos ,OA BC <>的值，即可求解．【详解】由题意，可知OB OC =，则()OA BC OA OC OB OA OC OA OB ⋅=⋅-=⋅-⋅coscos33OA OC OA OB ππ=⋅-⋅1()02OA OC OB =⋅-=，所以OA BC ⊥，所以∴cos ,0OA BC <>=. 故选A ．【点睛】本题主要考查了两个向量的数量积的定义，两个向量的夹角公式的应用，其中解答中熟记向量的数量积的运算公式，准确计算是解答的关键，着重考查了推理与运算能力，属于基础题．5．C解析：C 【分析】利用空间中线线、线面、面面间的位置关系求解．【详解】对于①，由题意知11//AD BC ，从而1//BC 平面1AD C ，故BC 1上任意一点到平面1AD C 的距离均相等，所以以P 为顶点，平面1AD C 为底面，则三棱锥1A D PC -的体积不变，故①正确；对于②，连接1A B ，11AC ，111//AC AD 且相等，由于①知：11//AD BC ，所以11//BAC 面1ACD ，从而由线面平行的定义可得，故②正确；对于③，由于DC ⊥平面11BCBC ，所以1DC BC ⊥，若1DP BC ，则1BC ⊥平面DCP ，1BC PC ⊥，则P 为中点，与P 为动点矛盾，故③错误；对于④，连接1DB ，由1DB AC ⊥且11DB AD ⊥，可得1DB ⊥面1ACD ，从而由面面垂直的判定知，故④正确．故选C ．【点睛】本题考查命题真假的判断，解题时要注意三棱锥体积求法中的等体积法、线面平行、垂直的判定，要注意使用转化的思想．6．D解析：D【解析】【分析】由A 1C ⊥平面AB 1D 1，直线A 1H 与直线A 1C 重合，结合线线角和线面角的定义，可判断①②；由四边形A 1ACC 1为矩形，可判断③；由垂直于直线A 1H 的平面与平面AB 1D 1平行，可判断④．【详解】如图，在正方体ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1中，A 1H ⊥平面AB 1D 1，垂足为H ，连接A 1C ，可得A 1C ⊥AB 1，A 1C ⊥AD 1，即有A 1C ⊥平面AB 1D 1，直线A 1H 与直线A 1C 重合，直线A 1H 与该正方体各棱所成角相等，均为2①正确；直线A 1H 与该正方体各面所成角相等，均为2②正确；过直线A 1H 的平面截该正方体所得截面为A 1ACC 1为平行四边形，故③正确；垂直于直线A 1H 的平面与平面AB 1D 1平行，截该正方体，所得截面为三角形或六边形，不可能为五边形．故④错误．故选：D ．【点睛】本题考查线线角和线面角的求法，以及正方体的截面的形状，考查数形结合思想和空间想象能力，属于中档题．7．D解析：D【分析】根据平面平行得法向量平行，再根据向量平行坐标表示得结果.【详解】因为//αβ，所以12122//24n n k-==--，，解之得4k =，应选答案D 【点睛】本题考查向量平行坐标表示，考查基本求解能力，属基础题. 8．D 解析：D【解析】分析：利用向量多边形与三角形法则即可求出，首先分析题中各选项都是由从O 出发的三个向量表示的，所以将待求向量用从O 出发的向量来表示，之后借助于向量的差向量的特征以及中线向量的特征，求得结果.详解：由题意可得21()32EF OF OE OA OB OC =-=-+ 211322OA OB OC =--，故选D. 点睛：该题考查的是有关空间向量基本定理，考查了用向量表示几何的量，向量的线性运算，解题的关键是根据图形把所研究的向量用三个基向量表示出来，本题是向量的基础题. 9．A解析：A【解析】分析：紧扣正四棱锥的概念，即可判定命题的真假.详解：由题意，当四棱锥P ABCD -的底面ABCD 为一个矩形时，设AC BD O ⋂=且PO ⊥底面ABCD ，此时可得PA PB PC PD ===，而四棱锥此时不是正四棱锥，所以①不正确的，同时各个侧面与底面所成的角也不相等，所以③不正确的；因为四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，而直角梯形ABCD 没有外接圆，所以底面不可能是直角梯形，所以④不正确；设四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，所以各条测量与底面ABCD 的正弦值都相等，所以②正确的，综上，故选A.点睛：本题主要考查了正四棱锥的概念，我们把底面是正方形，且顶点在底面上的射影是底面正方形的中心的四棱锥，叫做正四棱锥，其中紧扣正棱锥的概念是解答的关键. 10．C解析：C【详解】分析：建立空间直角坐标系，利用直线CE 与平面ABE 所成的角，求解k 的最大值，进而求解平面BDE 和平面ABC 的一个法向量，利用向量所成的角，求解二面角的余弦值，进而求得正切值，得到结果.详解：如图所示，建立如图所示的空间直角坐标系O xyz - ，则31(0,1,0),(0,0,),(0,1,),(,0)22k A D E k B ，取AB 的中点M ，则33(,0)4M ，则平面ABE 的一个法向量为33(,0)4CM =，由题意sin 2CE CMCE CM α⋅==⋅又由ππ[,]64α∈，所以1sin22α≤=≤k ≤≤，所以k当k =BDE 的法向量为(,,)n x y z =，则03102n DE y z n BE x yz ⎧⋅==⎪⎪⎨⎪⋅=++=⎪⎩，取(3,1n =--，由平面ABC 的法向量为(0,0,1)m =，设平面BDE 和平面ABC 所成的角为θ，则3cos n m n m θ⋅==⋅，所以sin 3θ=tan θ= C. 点睛：本题考查了空间向量在立体几何中的应用，解答的关键在于建立适当的空间直角坐标系，求解直线的方向向量和平面的法向量，利用向量的夹角公式求解，试题有一定的难度，属于中档试题，着重考查了学生的推理与运算能力，以及转化的思想方法的应用. 11．B解析：B【分析】根据向量运算得到1113144BE BA AA A E AB AD AA =++=-++，得到答案. 【详解】 ()11111111131444BE BA AA A E AB AA A B A D AB AD AA =++=-+++=-++，故34x =-. 故选：B .【点睛】本题考查了向量的运算，意在考查学生的计算能力和空间想象能力.12．A解析：A【分析】由题意画出结晶体的图形，利用向量加法的三角形法则求解晶体的对角线的长.【详解】设AB a =，AD b =，1AA c =，棱长为t ，则两两夹角为60︒， 11AC AB AD A A a b c=++=+-， 22222222122232AC a b c a b c a b a c c b t t t ∴=+-=+++⋅-⋅-⋅=-=， 12AC t ∴=. 2m ∴=故选：A . 【点睛】本题考查了棱柱的结构特征，考查了向量加法三角形法则，解答的关键是掌握22||a a =，是基础题.二、填空题13．【分析】建立空间直角坐标系设出的坐标求出向量利用求得关系式写出的表达式然后利用二次函数求最值即可【详解】由题意建立如图所示的空间直角坐标系则由于则所以所以所以当时线段长度的最小值是当时线段长度的最大解析：5 【分析】建立空间直角坐标系，设出F 、D 的坐标，求出向量DG ，EF ，利用GD EF ⊥求得关系式，写出DF 的表达式，然后利用二次函数求最值即可．【详解】由题意，建立如图所示的空间直角坐标系，则(0,0,0)A ，1(0,1,)2E ，1(,0,1)2G ，(,0,0)F x ，(0,,0)D y ，由于GD EF ⊥，则0GD EF ⋅=，所以210x y +-=，所以(,,0)(21,)DF x y y y =-=-+-，所以22222215415550DF x y y y y ⎛⎫=+=-+=-+ ⎪⎝⎭+，当25y =时，线段DF 长度的最小值是5，当0y =时，线段DF 长度的最大值是1，而不包括端点，故0y =不能取；故答案为：5[,1)．【点睛】本题主要考查了点、线、面间的距离计算、棱柱的结构特征、空间直角坐标系等基础知识，着重考查了空间想象能力，以及运算求解能力，属于基础题．14．①②④【分析】根据线面平行的判定定理可判断①；同①以及正方形的特征可判断②；根据异面直线所成的角可判断④；根据题中条件若不是其所在线段中点时可判断③【详解】因为是正方形所以所以平面又平面平面于所以所解析：①②④【分析】根据线面平行的判定定理可判断①；同①以及正方形的特征可判断②；根据异面直线所成的角可判断④；根据题中条件，若P Q M N 、、、不是其所在线段中点时可判断③【详解】因为PQMN 是正方形，所以//PQ MN ，所以//PQ 平面ACD ，又平面ACD ⋂平面ABC 于AC ，所以//AC PQ ，所以//AC 截面PQMN ，故①正确；同理可得//BD MQ ，所以AC BD ⊥，即②正确；又//BD MQ ，PMQ 45∠=︒，所以异面直线PM 与BD 所成的角为045，故④正确；根据已知条件，无法确定AC BD 、长度之间的关系，故③错.故答案为①②④【点睛】本题主要考查空间中点线面位置关系，熟记相关知识点即可求出结果，属于常考题型. 15．【解析】【分析】取MC 中点O 连结AOBO 推导出AC ＝BM ＝AM ＝CM ＝1AO ＝BO ＝AO ⊥MCAO ⊥平面BMCAO ⊥BO 由此能求出AB 两点之间的距离【详解】取MC 中点O 连结AOBO ∵△ABC 中∠C ＝解析：10 【解析】【分析】取MC 中点O ，连结AO ，BO ，推导出AC ＝BM ＝AM ＝CM ＝1，AO ＝3，BO ＝7，AO ⊥MC ，AO ⊥平面BMC ，AO ⊥BO ，由此能求出A ，B 两点之间的距离．【详解】取MC 中点O ，连结AO ，BO ，∵△ABC 中，∠C ＝90°，∠A ＝60°，AB ＝2，M 为AB 中点，∴AC ＝BM ＝AM ＝CM ＝1，∴AO 2131()2- BO 22011172cos1201214222BM MO BM OM ⎛⎫+-⨯⨯⨯+-⨯⨯⨯-= ⎪⎝⎭ AO ⊥MC ，将△BMC 沿CM 折叠，当平面BMC ⊥平面AMC 时，AO ⊥平面BMC ，∴AO ⊥BO ，∴A ，B 两点之间的距离|AB |22371044BO AO +=+=, 10．【点睛】本题考查两点间距离的求法，考查空间中线线、线面、面面间的位置关系等基础知识，考查运算求解能力，是中档题．16．【解析】即解析：12λλ<≠-且【解析】0a b a b ⋅<且与不共线，即212110,1λλ---<≠⇒ 12λλ<≠-且 17．【详解】建立如图所示的空间直角坐标系则A （000）E （01）G （01）F （x00）D （0y0）=（-y1）=（x-1-）由于GD ⊥EF 所以x+2y-1=0所以当时线段DF 长度的最小值是故答案为：解析：5 【详解】建立如图所示的空间直角坐标系，则A （0，0，0），E （0，1，12），G （12，0，1），F （x ，0，0），D （0，y ，0） DG =（12，-y ，1）， EF =（x ，-1，-12）由于GD ⊥EF ，所以x+2y-1=0, 所以22225415()5215DF x y y y y =+=-+=-+25y =时，线段DF 长度的最55 18．【分析】由向量垂直的坐标运算直接计算【详解】由题意∵与互相垂直∴＝解得故答案为【点睛】本题考查空间向量垂直的坐标运算解题关键是掌握向量垂直的充要条件即解析：522-或【分析】由向量垂直的坐标运算直接计算.【详解】由题意2,5,1a b a b ==⋅=-，∵ka b +与2ka b -互相垂直，∴222()(2)2ka b ka b k a ka b b +⋅-=-⋅-＝22250k k +-⨯=，解得522k k ==-或，故答案为522-或. 【点睛】本题考查空间向量垂直的坐标运算，解题关键是掌握向量垂直的充要条件，即0a b a b ⊥⇔⋅=.19．【分析】建立空间直角坐标系分别求得再利用即可得到所求角大小【详解】三棱柱为直三棱柱且以点为坐标原点分别以为轴建立空间直角坐标系设则又异面直线所成的角在异面直线与所成的角等于【点睛】本题考查了异面直线解析：60【分析】建立空间直角坐标系分别求得1=(0,1,1)BA ，1(1,0,1)AC ，再利用111111,cos BA AC BA AC BA AC 即可得到所求角大小．【详解】三棱柱111ABC A B C -为直三棱柱,且BAC 90︒∠=∴ 以点A 为坐标原点，分别以AC ，AB ，1AA 为,,x y z 轴建立空间直角坐标系设1=1AB AC AA ==，则(0,0,0)A ,(0,1,0)B ,1(0,0,1)A ,1(1,0,1)C1=(0,1,1)BA ，1(1,0,1)AC ∴11111101co 2,s 22BA AC BA AC BA AC 又异面直线所成的角在（0,90]∴ 异面直线1BA 与1AC 所成的角等于60︒ ．【点睛】本题考查了异面直线所成角的计算，一般建立空间直角坐标系利用向量法来解决问题，属于中档题．20．【解析】【分析】设出点的坐标根据题意列出方程组从而求得该点到原点的距离【详解】设该点的坐标因为点到三个坐标轴的距离都是1所以所以故该点到原点的距离为故填【点睛】本题主要考查了空间中点的坐标与应用空间 6【解析】【分析】设出点的坐标(,,)x y z ，根据题意列出方程组，从而求得该点到原点的距离.【详解】设该点的坐标(,,)x y z因为点到三个坐标轴的距离都是1所以221x y +=，221y z +=，221x z +=，所以22232x y z ++= 2226=x y z ++ 故填62【点睛】本题主要考查了空间中点的坐标与应用，空间两点间的距离公式，属于中档题.三、解答题21．（1）证明见解析；（2）9331. 【分析】（1）连结EC ，证明GF ∥EC ，GF //平面PDC 即得证；（2））取AD 的中点O ，连结PO ，证明PO ⊥平面ABCD ，建立如图所示的空间直角坐标系，利用向量法求平面PAD 与平面GBC 所成锐二面角的余弦值. 【详解】解：（1）连结EC ，DC ∥AB∴2AF ABFC CD==， 2AGGE=∴GF ∥EC ， EC ⊂平面PDC ,GF ⊄平面PDC ∴GF ∥平面PDC .（2）取AD 的中点O ，连结PO ，易知,,P G O 三点共线且PO AD ⊥，平面PAD ⊥平面ABCD 且AD 为交线，∴PO ⊥平面ABCD ，连结BO ，易知BO AD ⊥，建立如图所示的空间直角坐标系，易知平面PAD 的法向量1(0,1,0)n →=，易知(0,0,1)G ，(0,3,0)B ，333(,0)2C ， ∴(0,3,1)GB →=-，333(,1)22GC →=--，设面GBC 的法向量2(,,)n x y z →=， ∴223033302n GB y z n GC y z ⎧⋅=-=⎪⎨⋅=+-=⎪⎩，令2y =，则236,z x == ∴223(3n →= .设所求锐二面角的平面角大小为θ，则121293cos 31n n n n θ→→→→⋅==所以平面PAD与平面GBC 所成锐二面角的余弦值为93 31.【点睛】方法点睛：二面角的求法方法一：（几何法）找→作（定义法、三垂线法、垂面法）→证（定义）→指→求（解三角形）方法二：（向量法）首先求出两个平面的法向量,m n→→；再代入公式cosm nm nα→→→→=±（其中,m n→→分别是两个平面的法向量，α是二面角的平面角.）求解.（注意先通过观察二面角的大小选择“±”号）22．（1）点E是PD的中点，详见解析；（2）361.【分析】（1）点E是PD的中点，连接BD交AC与点O，连接OE，由中位线定理得到//OE PB，再利用线面平行的判定定理证明.（2）以A为原点，以AB，AD，AP分别为x，y，z轴，建立空间直角坐标系，分别求得平面PAC的一个法向量()111,,m x y z=，平面ACE的一个法向量()222,,n x y z=，设二面角P AC E--为θ，由cosm nm nθ⋅=⋅求解.【详解】（1）点E是PD的中点，如图所示：连接BD交AC与点O，连接OE，所以//OE PB，又PB⊄平面AEC，OE⊂平面AEC，所以//PB平面AEC．（2）以A 为原点，以AB ，AD ，AP 分别为x ,y ,z 轴，建立空间直角坐标系，则()()()()40,0,2,0,0,0,2,3,0,0,3,0,0,1,3P A C D E ⎛⎫ ⎪⎝⎭,所以()()42,3,0,0,0,2,0,1,3AC AP AE ⎛⎫=== ⎪⎝⎭，设平面PAC 的一个法向量为()111,,m x y z =，则00m AC m AP ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即 11123020x y z +=⎧⎨=⎩，令 1113,2,0x y z ==-=，则()3,2,0m =- 设平面ACE 的一个法向量为()222,,n x y z =，则00n AC n AE ⎧⋅=⎨⋅=⎩，即 2221230403x y y z +=⎧⎪⎨+=⎪⎩，令 22233,2,2x y z ==-=，则33,2,2n ⎛⎫=- ⎪⎝⎭，设二面角P AC E --为θ, 所以213cos 61m n m nθ⋅==⋅，所以 22213361sin 1cos 161θθ⎛⎫=-- ⎪ ⎪⎝⎭. 【点睛】方法点睛：1、利用向量求异面直线所成的角的方法：设异面直线AC ，BD 的夹角为β，则cos β＝AC BD AC BD⋅⋅.2、利用向量求线面角的方法：(1)分别求出斜线和它所在平面内的射影直线的方向向量，转化为求两个方向向量的夹角(或其补角)；(2)通过平面的法向量来求，即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐角，取其余角就是斜线和平面所成的角．3、利用向量求面面角的方法：就是分别求出二面角的两个面所在平面的法向量，然后通过两个平面的法向量的夹角得到二面角的大小，但要注意结合实际图形判断所求角是锐角还是钝角．23．(1)证明见解析；(2)1010. 【分析】(1)证明线面平行，用线面平行的判定定理，在面PAB 内找一条直线与MN 平行； (2)建立空间直角坐标系，利用向量法求线面角．【详解】(1)在四棱锥P ABCD -中，取PA 的中点E ，连接EB 、EM ，因为M 是PD 的中点，所以EMAD ，且12EM AD =．又因为底面ABCD 是正方形，N 是BC 的中点，所以BN AD ∥，且12=BN AD ，所以EM BN ∥且=EM BN ，所以四边形MNBE 是平行四边形．所以MN BE ∥．由于EB ⊂平面PAB ，MN ⊄平面PAB ，所以//MN 平面PAB .(2)因为底面ABCD 是正方形，所以AB ⊥AD ．又因为PA ⊥平面ABCD ，所以可以以点A 为坐标原点，AB 、AD 、AP 分别为x 、y 、z 轴，如图建立空间直角坐标系，则(0,0,0)A ，(2,2,0)C ，(0,2,0)D ,(0,0,2)P ，(0,1,1)M ,(2,1,0)N ． (2,2,2),(2,0,0)PC CD −−→−−→=-=-，设平面PCD 的法向量为(,,)m x y z =，有：0,0,m PC m CD ⎧⋅=⎨⋅=⎩即0,0,x y z x +-=⎧⎨=⎩，令1y =，则=1z ，所以(0,1,1)m =．(2,0,1)MN =-，设直线MN 与平面PCD 所成角为θ，有：sin cos ,MN mθ==MN m MN m⋅⋅()02+10+111025⨯⨯⨯-⋅．所以直线MN 与平面PCD 10 【点睛】立体几何解答题的基本结构：(1)第一问一般是几何位置关系的证明，通常用判定定理；(2)第二问是计算，求角或求距离（求体积通常需要先求距离），通常可以建立空间直角坐标系，利用向量法计算． 24．（1）证明见解析；（222. 【分析】（1）取SC 的中点F ，连接,DF EF ，证明四边形ADFE 为平行四边形，可得//AE DF ，即可证//AE 平面SCD ；（2）建立如图所示空间直角坐标系，然后写出各点坐标，得平面ABE 的法向量为AD ，计算平面ACE 的法向量m ，利用数量积公式代入计算二面角的余弦值. 【详解】（1）证明：取SC 的中点F ，连接,DF EF因为E 、F 为SB 、SC 的中点，所以//EF BC 且132EF BC ==，又因为//AD BC ，3AD =，6BC =，所以//EF AD 且EF AD =，所以四边形ADFE 为平行四边形，所以//AE DF ，又AE ⊄平面SCD ，DF ⊂平面SCD ，所以//AE 平面SCD ．（2）因为SA ⊥平面ABCD ，AD AB ⊥，所以建立如图所示空间直角坐标系，则(0,0,0),(4,0,0),(4,6,0),(0,3,0),(2,0,2)A B C D E ，(2,0,2),(4,0,0),(4,6,0)AE AB AC ===，(0,3,0)AD =由题意可知AD ⊥平面ABE ，设平面ACE 的法向量(,,)m x y z =所以00AC m AE m ⎧⋅=⎨⋅=⎩，则460220x y x z +=⎧⎨+=⎩，得(3,2,3)m =--设二面角B AE C --的平面角为θ，所以622cos cos ,11322AD m θAD m AD m⋅-====⨯，所以二面角B AE C --的余弦值为22.【点睛】本题考查了立体几何中的线面平行的判定和二面角的求解问题，意在考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力；解答本题关键在于能利用直线与直线、直线与平面关系的相互转化，通过中位线平行证明线线平行，同时对于立体几何中角的计算问题，往往可以利用空间向量法，通过求解平面的法向量，利用向量的夹角公式求解. 25．（1）4π；（2）23. 【分析】（1）过M 作MH AB ⊥于H ，连接PH ，由已知条件知1//PH AA 且112PH AA =，即PM与面11ABB A 所成角为MPH θ=∠，即可求其大小. （2）构建空间直角坐标系，由已知线段长度标识,,M N C 的坐标，令(,0,2)P a a -，由向量坐标表示NP ，MN ，NC ，MC ，进而求得面PMN 与面CMN 的法向量，由二面角余弦值即可求参数a ，即可求BP 的长度. 【详解】（1）过M 作MH AB ⊥于H ，连接PH ，又AB AC ⊥ ，∴//MH AC ，M 是棱BC 的中点，所以H 是AB 的中点，而P 是线段1A B 的中点， ∴1//PH AA 且112PH AA =， PM 与面11ABB A 所成角为MPH ∠，设MPH θ=∠则12tan 12ACMHAA PHθ===，[0,]2πθ∈，∴4πθ=，（2）构建以A 为原点，1,,AB AC AA 分别为x 、y 、z 轴正方向，则(1,1,0),(0,2,1),(0,2,0)M N C ，由等腰1Rt A AB ，可令(,0,2)P a a -，∴(,2,1)NP a a =--，(1,1,1)MN =-，(0,0,1)NC =-，(1,1,0)MC =-，若(,,)m x y z =为面PMN 的一个法向量，则2(1)00ax y a z x y z -+-=⎧⎨-++=⎩，令1y =，有(3,1,2)m a a =--，若()111,,n x y z =为面CMN 的一个法向量，则110{0z x y -=-+=，令11x =，有(1,1,0)n =，∴由题意，知：2537||||221014m n m n a a ⋅==⋅-+，整理得22168360a a -+=，解得187a =或23a =，而P 在线段A 1B 上，有23a =则24(,0,)33P ，∴423BP =.【点睛】关键点点睛：（1）根据线面角的几何定义，找到直线MP 与平面11ABB A 所成角的平面角，进而求角. （2）构建空间直角坐标系，设(,0,2)P a a -，求二面角的两个半面的法向量，根据二面角的余弦值求参数a ，进而求线段长. 26．（13102）23. 【分析】以点A 为坐标原点，AB 、AC 、1AA 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系.（1）写出1A B 、1C D 的坐标，计算出11cos ,A B C D <>的值，即可得出异面直线1A B 与1C D 所成角的余弦值；（2）计算出1ADC 的一个法向量的坐标，可知平面1ABA 的一个法向量为()0,1,0n =，利用空间向量法可求得平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值. 【详解】在直三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥平面ABC ，且AB AC ⊥，以点A 为坐标原点，AB 、AC 、1AA 所在直线分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系. 如下图所示：则由题意知()0,0,0A 、()2,0,0B 、()0,2,0C 、()10,0,4A 、()12,0,4B、()10,2,4C 、()1,1,0D .（1）()12,0,4A B =-，()11,1,4C D =--，111111310cos ,2532A B C D A B C D A B C D⋅<>===⨯⋅ 所以，异面直线1A B 与1C D 310 （2）易知平面1ABA 的一个法向量为()0,1,0n =，设平面1ADC 的法向量为(),,m x y z =，()1,1,0AD =，()10,2,4AC =，由100m AD m AC ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩，可得0240x y y z +=⎧⎨+=⎩，令2y =-，则2x =，1z =，所以，平面1ADC 的一个法向量为()2,2,1m =-，22cos ,33m n m n m n⋅-<>===-⋅，因此，平面1ADC 与平面1A BA 所成的二面角（是指不超过90的角）的余弦值为23. 【点睛】方法点睛：求空间角的常用方法：（1）定义法：由异面直线所成角、线面角、二面角的定义，结合图形，作出所求空间角，再结合题中条件，解对应的三角形，即可求出结果；（2）向量法：建立适当的空间直角坐标系，通过计算向量的夹角（两直线的方向向量、直线的方向向量与平面的法向量、两平面的法向量）的余弦值，即可求得结果.。

(易错题)高中数学高中数学选修2-1第二章《空间向量与立体几何》检测题(含答案解析)

一、选择题1．已知平行六面体''''ABCD A B C D -中，4AB =，3AD =，'5AA =，90BAD ∠=，''60BAA DAA ∠=∠=．则'AC 的长为（）A ．85B ．97C ．12D ．2302．正方体''''ABCD A B C D -棱长为6，点P 在棱AB 上，满足PA PB =，过点P 的直线l 与直线''A D 、'CC 分别交于E 、F 两点，则EF =（） A ．313B ．95C ．18D ．213．如图为一正方体的平面展开图，在这个正方体中，有以下结论:①AN GC ⊥，②CF 与EN 所成的角为60︒,③BD //MN ，④二面角E BC N --的大小为45︒,其中正确的个数是（）A ．1B ．2C ．3D ．44．阅读材料：空间直角坐标系O ﹣xyz 中，过点P （x 0，y 0，z 0）且一个法向量为＝（a ，b ，c ）的平面α的方程为a （x ﹣x 0）+b （y ﹣y 0）+c （z ﹣z 0）＝0；过点P （x 0，y 0，z 0）且一个方向向量为d ＝（u ，v ，w ）（uvw≠0）的直线l 的方程为000x x y y z z u v w---==，阅读上面材料，并解决下面问题：已知平面α的方程为x+2y ﹣2z ﹣4＝0，直线l 是两平面3x ﹣2y ﹣7＝0与2y ﹣z+6＝0的交线，则直线l 与平面α所成角的大小为（） A ．arcsin 1414 B ．arcsin 421C ．arcsin51442D ．arcsin123773775．如图：在直棱柱111ABC A B C -中，1AA AB AC ==，AB AC ⊥，,,P Q M 分别是A 1B 1,BC,CC 1的中点，则直线PQ 与AM 所成的角是（）A ．6π B ．4π C ．3π D ．2π6．如图，在正方体1111ABCD A B C D ﹣中，1A H ⊥平面11AB D ，垂足为H ，给出下面结论：①直线1A H 与该正方体各棱所成角相等； ②直线1A H 与该正方体各面所成角相等；③过直线1A H 的平面截该正方体所得截面为平行四边形； ④垂直于直线1A H 的平面截该正方体，所得截面可能为五边形，其中正确结论的序号为（）A ．①③B ．②④C ．①②④D ．①②③7．如图，在大小为45°的二面角A -EF -D 中，四边形ABFE ，CDEF 都是边长为1的正方形，则B ，D 两点间的距离是( )A ．3B ．2C ．1D ．32-8．如图，在空间四边形OABC 中，点E 为BC 中点，点F 在OA 上，且2OF FA =, 则EF 等于（）A ．121+232OA OB OC - B ．211+322OA OB OC -+ C ．111222OA OB OC +- D ．211322OA OB OC -- 9．侧棱长都都相等的四棱锥P ABCD -中，下列结论正确的有（）个①P ABCD -为正四棱锥；②各侧棱与底面所成角都相等； ③各侧面与底面夹角都相等；④四边形ABCD 可能为直角梯形（） A ．1B ．2C ．3D ．410．如图，在平行六面体1111ABCD A BC D -中，M 为11AC 与11B D 的交点．若AB a =，AD b =，1AA c =，则下列向量中与BM 相等的向量是（）A ．11+22+a b c B ．1122a b c -+ C ．1122-++a b c D ．1122+-a b c 11．如图，在长方体ABCD ﹣A 1B 1C 1D 1中，DC ＝2，DA ＝DD 1＝1，点M 、N 分别为A 1D 和CD 1上的动点，若MN ∥平面AA 1C 1C ，则MN 的最小值为（）A 5B ．23C 5D 512．如图，在四棱柱1111ABCD A BC D -中，底面ABCD 为正方形，侧棱1AA ⊥底面ABCD ，3AB =，14AA =，P 是侧面11BCC B 内的动点，且1AP BD ⊥，记AP 与平面11BCC B 所成的角为θ，则tan θ的最大值为（）A ．43B ．53C ．2D ．259二、填空题13．如图，已知正三棱柱111ABC A B C -中，12AB AA ==，,M N 分别为1,CC BC 的中点，点P 在直线11A B 上且满足111().A P A B R λλ=∈若平面PMN 与平面ABC 所成的二面角的平面角的大小为45，则实数λ的值为______．14．如图，在矩形ABCD 中，4,2AB AD ==，E 为AB 的中点．将ADE 沿DE 翻折，得到四棱锥1A DEBC -．设1AC 的中点为M ，在翻折过程中，有下列三个命题：①总有BM ∥平面1A DE ； ②线段BM 的长为定值；③存在某个位置，使DE 与1AC 所成的角为90°．其中正确的命题是_______．（写出所有正确命题的序号）15．在三棱锥S －ABC 中，△ABC 是边长为6的正三角形，SA ＝SB ＝SC ＝15，平面DEFH 分别与AB ，BC ，SC ，SA 交于点D ，E ，F ，H.且D ，E 分别是AB ，BC 的中点，如果直线SB ∥平面DEFH ，那么四边形DEFH 的面积为________．16．正四棱锥S ABCD -的八条棱长都相等，SB 的中点是E ，则异面直线AE ，SD 所成角的余弦为__________．17．已知空间向量(1,0,0)a =，13(,,0)22b =，若空间向量c 满足2c a ⋅=，52c b ⋅=，且对任意,x y R ∈，()()00001(,)c xa yb c x a y b x y R -+≥-+=∈，则c =__________. 18．如图所示，三棱锥O ABC -中，OA a =，OB b =，OC c =，点M 在棱OA 上，且2OM MA =，N 为BC 中点，则MN =__________．（用a ，b ，c 表示）19．若向量()()()1,1,,1,2,1,1,1,1a x b c ===，满足条件()()·22c a b -=-，则x = __________．20．已知平行六面体中，则____．三、解答题21．如图，平面ABCDE ⊥平面CEFG ，四边形CEFG 为正方形，点B 在正方形ACDE 的外部，且5,4AB BC AC ===．（1）证明：AD CF ⊥．（2）求平面BFG 与平面ABCDE 所成锐二面角的余弦值．22．如图所示，在多面体ABCDE 中，//DE AB ，AC BC ⊥，平面DAC ⊥平面ABC ，24BC AC ==，2AB DE =，DA DC =，点F 为BC 的中点．（1）证明：EF ⊥平面ABC ；（2）若直线BE 与平面ABC 所成的角为60︒，求平面DCE 与平面ADC 所成的锐二面角的余弦值．23．在多面体ABCDE 中，平面ACDE ⊥平面ABC ，四边形ACDE 为直角梯形，//CD AE ，AC AE ⊥，AB BC ⊥，1CD =，2AE AC ==，F 为DE 的中点，且点E 满足4EB EG =.（1）证明：//GF 平面ABC .（2）当多面体ABCDE 的体积最大时，求二面角A BE D --的余弦值.24．如图，已知三棱柱111ABC A B C -的底面是正三角形，侧面11BB C C 是矩形，,M N 分别为11,BC B C 的中点，P 为AM 上一点，过11B C 和P 的平面交AB 于E ，交AC 于F ．（1）证明：平面111A AMN EB C F ⊥；（2）设O 为111A B C △的中心，若//AO 平面11EB C F ，且AO AB =，求直线1B E 与平面1A AMN 所成角的正弦值．25．如图，在三棱柱111ABC A B C -中，1AA ⊥平面ABC ，1AB BC CA AA ===，D 为AB 的中点．（1）求证：1//BC 平面1DAC ；（2）求平面1DAC 与平面11AAC C 所成的锐二面角．．．．的余弦值． 26．如图，在多面体EF ABCD -中，AD //BC ，CD //EF ，1AD DC DE ===，2BC EF ==，2CDE CDA π∠=∠=.（1）若M 为EF 中点，求证：CD ⊥BM ；（2）若二面角A DC E --的平面角为3π，求直线AE 与平面EFB 所成角的大小.【参考答案】***试卷处理标记，请不要删除一、选择题 1．A 解析：A 【分析】用空间向量基本定理表示出AC '，然后平方后转化为数量积的运算求得．【详解】记a AB =，b AD =，c AA '=，则43cos900a b ⋅=⨯⨯︒=，同理152b c ⋅=，10a c ⋅=，由空间向量加法法则得AC a b c '=++，∴22222()222AC a b c a b c a b b c a c'=++=+++⋅+⋅+⋅222154352210852=+++⨯+⨯=， ∴85AC '=85AC '=．故选：A ．【点睛】方法点睛：本题考查求空间线段长，解题方法是空间向量法，即选取基底，用基底表示出向量，然后利用向量模的平方等于向量的平方转化为向量的数量积进行计算．2．C解析：C 【分析】画图分析可得过P 的直线l 与直线''A D 、'CC 的交点E 、F 在线段''D A 、'C C 的延长线上.再建立空间直角坐标系求解即可. 【详解】画图分析可得过P 的直线l 与直线''A D 、'CC 的交点E 、F 在线段''D A 、'C C 的延长线上.以A 为坐标原点建立如图空间直角坐标系,则设(,0,6)E e ,(6,6,)F f ,(0,3,0)P又,,E P F 共线,则EP PF λ=,故(,3,6)(6,3,)e f λ--=,故6133666e e f f λλλλ-==⎧⎧⎪⎪=⇒=-⎨⎨⎪⎪-==-⎩⎩.故(6,0,6)E -,(6,6,6)F -,则222(12)6(12)18EF =++=.故选：C 【点睛】本题主要考查了利用空间直角坐标系求解共线问题的方法等,属于中等题型.3．C解析：C 【分析】根据题意画出正方体直观图，建立空间直角坐标系，计算0AN GC ⋅=，由此判断①正确.根据线线角的知识，判断②正确.根据线线的位置关系，判断③错误.根据二面角的知识，判断④正确. 【详解】画出正方体的直观图，如下图所示，设正方体边长为2，以,,DA DC DG 分别为,,x y z 轴建立空间直角坐标系.则()()()()2,0,0,0,2,2,0,0,2,0,2,0A N G C ，所以()()2,2,20,2,20AN GC ⋅=-⋅-=，所以AN GC ⊥，故①正确.由于//EN AC ，所以CF 与EN 所成的角为FCA ∠，而在FAC ∆中，AF FC CA ==，也即FAC ∆是等边三角形，故60FCA ∠=，所以②正确.由于//EN AC ，而AC 与BD 相交，故,BD MN 不平行，③错误.由于,EB BC FB BC ⊥⊥，所以EBF ∠即是二面角E BC N --的平面角.EBF ∆是等腰直角三角形，所以45EBF ∠=，故④正确. 综上所述，正确的命题个数为3个. 故选：C.【点睛】本小题主要考查空间线线、面面的位置关系有关命题的真假性判断，属于中档题.4．B解析：B 【分析】先根据两个平面的方程，求出平面交线的方向向量，结合已知平面的方程确定平面的法向量，然后求解. 【详解】平面α的法向量为n ＝（1，2，﹣2），联立方程组3270260x y y z --=⎧⎨-+=⎩，令x ＝1，得y ＝﹣2，z ＝2，令x ＝3，得y ＝1，z ＝8，故点P （1，﹣2，2）和点Q （3，1，8）为直线l 的两个点，∴PQ ＝（2，3，6）为直线l 的方向向量， ∵44cos ,3721||||PQ n PQ n PQ n ⋅-<>===-⨯ ，∴直线l 与平面α所成角的正弦值为421，【点睛】本题主要考查直线和平面所成角的正弦，属于信息提供题目，理解题中所给的信息是求解关键.5．D解析：D【分析】建立空间直角坐标系，结合直线的方向向量确定异面直线所成的角即可.【详解】以点A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系A xyz -，设2AB =，则()()()()0,0,0,1,0,2,1,1,0,0,2,1A P Q M ，据此可得：()()0,1,2,0,2,1PQ AM =-=，0PQ AM ⋅=，故PQ AM ⊥，即直线PQ 与AM 所成的角是2π. 本题选择D 选项.【点睛】本题主要考查空间向量的应用，异面直线所成的角的求解等知识，意在考查学生的转化能力和计算求解能力.6．D解析：D【解析】【分析】由A 1C ⊥平面AB 1D 1，直线A 1H 与直线A 1C 重合，结合线线角和线面角的定义，可判断①②；由四边形A 1ACC 1为矩形，可判断③；由垂直于直线A 1H 的平面与平面AB 1D 1平行，可判断④．如图，在正方体ABCD﹣A1B1C1D1中，A1H⊥平面AB1D1，垂足为H，连接A1C，可得A1C⊥AB1，A1C⊥AD1，即有A1C⊥平面AB1D1，直线A1H与直线A1C重合，直线A1H与该正方体各棱所成角相等，均为2①正确；直线A1H与该正方体各面所成角相等，均为arctan22，故②正确；过直线A1H的平面截该正方体所得截面为A1ACC1为平行四边形，故③正确；垂直于直线A1H的平面与平面AB1D1平行，截该正方体，所得截面为三角形或六边形，不可能为五边形．故④错误．故选：D．【点睛】本题考查线线角和线面角的求法，以及正方体的截面的形状，考查数形结合思想和空间想象能力，属于中档题．7．D解析：D【分析】由DB ED FE BF=++，利用数量积运算性质展开即可得到答案【详解】BD ED FE BF=++,22222221112 BD BF FE ED BF FE FE ED BF ED∴=+++++=++故32BD=-故选D【点睛】本题是要求空间两点之间的距离，运用空间向量将其表示，然后计算得到结果，较为基础．8．D解析：D【解析】分析：利用向量多边形与三角形法则即可求出，首先分析题中各选项都是由从O出发的三个向量表示的，所以将待求向量用从O出发的向量来表示，之后借助于向量的差向量的特征以及中线向量的特征，求得结果.详解：由题意可得21()32EF OF OE OA OB OC =-=-+ 211322OA OB OC =--，故选D. 点睛：该题考查的是有关空间向量基本定理，考查了用向量表示几何的量，向量的线性运算，解题的关键是根据图形把所研究的向量用三个基向量表示出来，本题是向量的基础题. 9．A解析：A【解析】分析：紧扣正四棱锥的概念，即可判定命题的真假.详解：由题意，当四棱锥P ABCD -的底面ABCD 为一个矩形时，设AC BD O ⋂=且PO ⊥底面ABCD ，此时可得PA PB PC PD ===，而四棱锥此时不是正四棱锥，所以①不正确的，同时各个侧面与底面所成的角也不相等，所以③不正确的；因为四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，而直角梯形ABCD 没有外接圆，所以底面不可能是直角梯形，所以④不正确；设四棱锥P ABCD -满足PA PB PC PD ===，所以顶点P 在底面ABCD 内的射影O 为底面ABCD 的外心，所以各条测量与底面ABCD 的正弦值都相等，所以②正确的，综上，故选A.点睛：本题主要考查了正四棱锥的概念，我们把底面是正方形，且顶点在底面上的射影是底面正方形的中心的四棱锥，叫做正四棱锥，其中紧扣正棱锥的概念是解答的关键. 10．C解析：C【分析】根据空间向量的运算法则，化简得到11122BM AB AD AA =-++，即可求解. 【详解】由题意，根据空间向量的运算法则，可得1111112BM BB B M AA B D =+=+ 1111111111111()()222222AA A D A B AA AD AB AB AD AA a b c =+-=+-=-++=-++. 故选：C.【点睛】在空间向量的线性运算时，要尽可能转化为平行四边形或三角形中，运用平行四边形法则、三角形法则，以及利用三角形的中位线、相似三角形等平面几何的性质，把未知向量转化为已知向量有直接关系的向量来解决.11．A解析：A【分析】先建立空间坐标系，设出(),0,M m m ，()0,22,N n n -+，转化条件得1m n +=，利用函数即可得解.【详解】如图建系，由题意可设(),0,M m m ，()0,22,N n n -+，∴(),22,MN m n n m =---，又 ()10,0,1AA =，()1,2,0AC =-，∴平面11AAC C 的法向量()2,1,0n =，又 //MN 面11AACC ，∴=0MN n ⋅即1m n +=， ∴()()2222222941MN m n n m m m =+-+-=-+，∴MN 最小值为5 故选：A.【点睛】本题考查了空间向量的应用，考查了转化化归和函数思想，属于中档题. 12．B解析：B【分析】建立空间直角坐标系，利用向量法能求出线面角的正切值的最大值.【详解】以1,,DA DC DD 所在直线分别为,,x y z 轴，建立空间直角坐标系，设(,3,)P x z ，则1(3,3,),(3,3,4)AP x z BD =-=--，11,0AP BD AP BD ⊥∴⋅=，33(3)3340,4x z z x ∴---⨯+=∴=, 22225||(3)6916BP x z x x ∴=-+=-+225488191625255x ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭， ||5tan ||3AB BP θ∴=， tan θ∴的最大值为53. 故选：B .【点睛】本题主要考查的是线面所成角，解题的关键是找到线面所成角的平面角，是中档题.二、填空题13．【分析】从二面角的大小入手利用空间向量求解【详解】以N 为坐标原点NCNA 所在直线分别为x 轴y 轴建立空间直角坐标系如图则由可得设为平面的一个法向量则即令可得易知平面ABC 的一个法向量为因为平面与平面所解析：2-【分析】从二面角的大小入手，利用空间向量求解.【详解】以N 为坐标原点，NC,NA 所在直线分别为x 轴，y 轴建立空间直角坐标系，如图则()()()()()10,0,0,1,0,1,1,0,0,3,0,3,2N M B A A - ,由111A P A B λ=可得()11111133,2NP NA A P NA A B NA AB λλλλ=+=+=+=-, ()1,0,1NM =,设(),,n x y z =为平面PMN 的一个法向量，则00n NM n NP ⎧⋅=⎨⋅=⎩,即)03120x z x y z λλ+=⎧⎪⎨--+=⎪⎩，令1z =-，可得()()321,,131n λλ⎛⎫+=- ⎪ ⎪-⎝⎭，易知平面ABC 的一个法向量为()0,0,1m =. 因为平面PMN 与平面ABC 所成的二面角的平面角的大小为45，所以1cos45n m n m n ⋅︒==，即2n =，所以21211231λλ+⎛⎫++= ⎪-⎝⎭，解得2λ=-. 【点睛】本题主要考查空间向量的应用，利用二面角求解参数.二面角的求解和使用的关键是求解平面的法向量，把二面角转化为向量的夹角问题.14．①②【分析】取D 的中点N 连接MNEN 根据四边形MNEB 为平行四边形判断①②假设DE ⊥C 得出矛盾结论判断③【详解】取D 的中点N 连接MNEN 则MN 为△CD 的中位线∴MN ∥CD 且MN=CD 又E 为矩形ABC解析：①②【分析】取1A D 的中点N ，连接MN ，EN ，根据四边形MNEB 为平行四边形判断①，②，假设DE ⊥1A C 得出矛盾结论判断③．【详解】取1A D 的中点N ，连接MN ，EN ，则MN 为△1A CD 的中位线，∴MN ∥12CD ，且MN=12CD 又E 为矩形ABCD 的边AB 的中点，∴BE ∥12CD ，且BE=12CD ∴MN ∥BE ，且MN=BE 即四边形MNEB 为平行四边形，∴BM ∥EN ，又EN ⊂平面A 1DE ，BM ⊄平面A 1DE ，∴BM ∥平面1A DE ，故①正确；由四边形MNEB 为平行四边形可得BM ＝NE ，而在翻折过程中，NE 的长度保持不变，故BM 的长为定值，故②正确；取DE 的中点O ，连接1A O ，CO ，由1A D ＝1A E 可知1A O ⊥DE ，若DE ⊥1A C ，则DE ⊥平面1A OC ，∴DE ⊥OC ，又∠CDO ＝90°﹣∠ADE ＝45°，∴△OCD 为等腰直角三角形，故而CD 2=OD ，而OD 12=DE 2=，CD ＝4，与CD 2=OD 矛盾，故DE 与1A C 所成的角不可能为90°．故③错误．故答案为①②．【点睛】本题考查命题真假，线面平行的判定，线面垂直的判定与性质，空间想象和推理运算能力，属于中档题．15．【解析】【分析】利用平面可以得到从而为中点同理可得为中点再根据三棱锥为正三棱锥得到故四边形为矩形从而可计算其面积【详解】因为故在底面上的射影为底面三角形的外心又为等边三角形故在底面上的射影为底面三角解析：452【解析】【分析】利用SB 平面DEFH 可以得到DHSB ，从而H 为SA 中点，同理可得F 为SC 中点，再根据三棱锥S ABC -为正三棱锥得到AC SB ⊥，故四边形HDEF 为矩形，从而可计算其面积．【详解】因为SA SB SC ==，故S 在底面上的射影为底面三角形的外心，又ABC ∆为等边三角形，故S 在底面上的射影为底面三角形的中心，所以三棱锥S ABC -为正三棱锥，所以SB AC ⊥．因SB 平面DEFH ，SB ⊂平面ABS ，平面ABS平面DEFH DH =，故SB DH ，因AD DB =，故AH HS =，1,2DH BS DH BS =，同理1,2EF BS EF BS =，故,DH EF DH EF =，所以四边形DEFH 为平行四边形，又由,D E 为中点可得DEAC ，故DH DE ⊥，故四边形DEFH 为矩形．又153,2DE DH ==，故矩形DEFH 的面积为452．【点睛】（1）正三棱锥中，对棱是相互垂直的，且顶点在底面的投影是底面正三角形的中心．（2）通过线面平行可以得到线线平行，注意利用线面平行这个条件时，要合理构建过已知直线的平面（该平面与已知平面有交线）．16．【解析】以正方形的中心为原点平行于的直线为轴平行于的直线为轴为轴建立如图所示空间直角坐标系设四棱锥棱长为则所以∴故异面直线所成角的余弦值为解析：33【解析】以正方形ABCD 的中心O 为原点，平行于AB 的直线为x 轴，平行于AD 的直线为y 轴， SO 为z 轴建立如图所示空间直角坐标系O xyz -，设四棱锥S ABCD -棱长为2，则(1,1,0)A --，(1,1,0)B -，2)S ，(1,1,0)D -，112,,222E ⎛- ⎝⎭，所以312,22AE ⎛= ⎝⎭，(1,1,2)SD =--，∴311cos,AE SD-+-==故异面直线AE，SD所成角的余弦值为3．17．【分析】设空间向量由已知条件可得的值由对任意得：进而得到答案【详解】解：空间向量设空间向量空间向量又由对任意则故故答案为：【点睛】本题考查的知识点是空间向量的数量积运算空间向量的模属于中档题解析：【分析】设空间向量(),,c m n z=，由已知条件可得m、n的值，由对任意x，y R∈，00|()||()|1c xa yb c x a y b-+-+=得：||1z=，进而得到答案．【详解】解：空间向量(1,0,0)a=，13(,22b=，设空间向量(),,c m n z=，2c a⋅=，52c b⋅=，2m∴=，1522m =2m∴=，3n=，∴空间向量()2,3,c z=，又由对任意x，y R∈，()()001c xa yb c x a y b-+≥-+=，则||1z=，故(22c=+=故答案为：【点睛】本题考查的知识点是空间向量的数量积运算，空间向量的模，属于中档题．18．【解析】解析：211322a b c-++【解析】MN MA AB BN=++11()32OA OB OA BC =+-+ 21()32OA OB OC OB =-++- 211322OA OB OC =-++ 211322a b c =-++． 19．2【解析】因为向量所以则解之得应填答案解析：2【解析】因为向量(1,1,),(1,2,1),(1,1,1)a x b c ===，所以(0,0,1),2(2,4,2)c a x b -=-=，则()(2)222c a b x -⋅=-=-，解之得2x =，应填答案2。

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高二数学（选修2-1 ）空间向量试题宝鸡铁一中司婷一、选择题：在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请把正确答案的代号填在题后的括号内（每小题 5 分，共 60 分）．1．在正三棱柱ABC—A1B1C1中，若AB＝2BB1，则 AB1与 C1B 所成的角的大小为（）A． 60°B． 90°C． 105°D．75°2．如图，ABCD—A1B1C1D1是正方体，B1E1＝D1F1＝A1B1，则 BE1 4与 DF1所成角的余弦值是（）A．15B．1172图8D．3C．2173．如图， 1 1 1—是直三棱柱，∠=90°，点1、 1 分别是 1 1、A B C ABC BCA D F A BA1C1的中点，若 BC=CA=CC1，则 BD1与 AF1所成角的余弦值是（）A．C．30110B．230图1515D．104．正四棱锥S ABCD 的高 SO 2 ，底边长AB 2 ，则异面直线BD 和 SC 之间的距离（）．15．5C．2 5A5B55 5．已知ABC A1 B1 C1是各条棱长均等于 a 的正三棱柱， D 是侧棱 CC1的中点．点 C1到平面 AB1 D 的距离（）A． 2 a B． 2 a48A 1D．5C110B1D A CB图C．32 a D． 2 a 426．在棱长为 1 的正方体ABCD A1 B1C1D1中，则平面 AB1C 与平面 A1 C1 D 间的距离（）A．3B．3C．2 3D．363327．在三棱锥－中，⊥，＝＝1，点、D 分别是、的中点，⊥底P ABC AB BC AB BC2PA O AC PC OP 面 ABC，则直线 OD与平面 PBC所成角的正弦值（）A．21B．8 3C210 D ．2106360308．在直三棱柱ABC A1B1C1中，底面是等腰直角三角形，ACB 90，侧棱 AA1 2 ，D，E 分别是CC1与A1B的中点，点 E 在平面AB D 上的射影是ABD 的重心G．则A1B 与平面 AB D所成角的余弦值（）A．2B．7C．3D．3 33279．正三棱柱ABC A1 B1C1的底面边长为3，侧棱AA133 ，D是C B延长线上一点，2且 BD BC ，则二面角B1AD B 的大小（）A．3B．6C．5D．26310．正四棱柱ABCD A1B1C1D1中，底面边长为 2 2 ，侧棱长为4， E，F 分别为棱AB，CD的中点，EF BD G ．则三棱锥B1EFD1的体积V（）A．6B．16 3C．16D．1663311．有以下命题：①如果向量 a, b 与任何向量不能构成空间向量的一组基底，那么a, b 的关系是不共线；② O , A, B,C 为空间四点，且向量OA, OB, OC不构成空间的一个基底，则点 O, A, B,C一定共面；③已知向量 a, b, c 是空间的一个基底，则向量 a b, a b, c 也是空间的一个基底。

其中正确的命题是：（）（ A ）①② （ B ）①③ （ C ）②③ （ D ）①②③12. 如图：在平行六面体 ABCDA 1B 1C 1D 1 中， M 为 A 1C 1 与 B 1D 1 的交点。

若 AB a ，AD b ， AA 1 c 则下列向量中与 BM 相等的向量是（）D1C1M（ A ）1 a1b c(B) 1 a1b c222 2（ C ） 1 a1b c（ D ） 1a1b c2 222A1B1DCA B二、填空题：请把答案填在题中横线上（每小题 6 分，共 30 分）．13．已知向量 a (0,1,1 ) ， b(4,1,0) ，|a b |29 且0 ，则= ____________.14 ．在正方体ABCD A 1 B 1C 1D 1 中， E 为 A 1B 1 的中点，则异面直线 D 1E 和 BC 1间的距离．15．在棱长为 1 的正方体 ABCD A 1 B 1C 1D 1 中， E 、 F 分别是 A 1B 1 、 CD 的中点，求点 B 到截面 AEC 1F 的距离．16．已知棱长为 1 的正方体 AB CD －AB CD 中， E 、F 分别是 B C 和 CD 的中点，点 A 到平1 1 1 11 1 1 1 1面 D B EF 的距离．17．已知棱长为 1 的正方体 AB CD －A 1B 1C 1D 1 中， E 是 A 1B 1 的中点，求直线 A E 与平面 AB C 1D 1所成角的正弦值．三、解答题：解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤（共 60 分）．18．（ 15 分）已知棱长为 1 的正方体 AB CD － A 1B 1C 1D 1，求平面 A 1B C 1 与平面 AB CD 所成的二面角的大小19．（ 15 分）已知棱长为 1 的正方体 AB CD － A 1B 1C 1D 1 中， E 、 F 、 M 分别是 A 1C 1、A 1D 和B 1A 上任一点，求证：平面 A 1EF ∥平面 B 1MC ．20．（ 15 分）在四棱锥 P —ABCD 中，底面 ABCD 是一直角梯形， ∠ BAD =90°，AD ∥ BC ，AB =BC =a ，AD =2a ，且 PA ⊥底面 ABCD ， PD 与底面成 30°角．（ 1）若 AE ⊥ PD ， E 为垂足，求证： BE ⊥ PD ；（ 2）求异面直线 AE 与 CD 所成角的余弦值．21．（ 15 分）已知棱长为 1 的正方体 A C 1， E 、 F 分别是 B 1C 1、 C 1D 的中点．（ 1）求证： E 、 F 、 D 、 B 共面；（ 2）求点 A 1 到平面的 B DEF 的距离；（ 3）求直线 A 1D 与平面 B DEF 所成的角．参考答案一、 1． C ； 2． A ； 3． B ；4． A ；5． A ； 6． C ； 7． A ； 8． B ； 9．D ； 10．B ； 11． A ；12． C ；二、 13． 314．26 15 ． 6 16 ．1； 17 ．10335三、18．解：如图建立空间直角坐标系，A 1C 1 ＝（－ 1， 1，0）， A 1B ＝（ 0， 1，－ 1）设 n 1 、 n 2 分别是平面 A BABz11D 1C 1由 n 1 A 1 B可解得 n ＝（ 1 1 1A 11 ，，）B 1n ACC1 1 1D易知 n 2 ＝（ 0， 0， 1），AyBxn 1 n 23所以， cos n 1 , n 2 ＝n 1n 23所以平面 A 1B C 1 与平面 AB CD 所成的二面角大小为 a rccos3或－ a rccos3 ．3319．证明：如图建立空间直角坐标系，zD 1C1则 A1C1＝（－1，1，0）， B1 C ＝（－1，0，－1）EA 1B1A1D ＝（1，0，1），B1 A ＝（0，－1，－1）M yF设 A1E A1C1，A1 F A1D ，B1 M B1A（、、D CR ，且均不为0）A B x设 n1、 n2分别是平面A EF与平面B MC的法向量，11由n1 A1 E0可得n1A1C10即n1 A1C10n1 A1 F 0n1A1D 0n1 A1D 0解得：1n ＝（1，1，－1）由n2 B1 M0可得n2B1A 0即n2 B1 A 0n2 B1C 0n2 B1 C 0n2 B1C 0解得 n2＝（－1，1，－1），所以 n1＝－ n2，n1∥ n2，所以平面 A1EF∥平面 B1MC．20．（ 1）证明：∵PA⊥平面ABCD，∴PA⊥AB，又AB⊥AD．∴AB⊥平面PAD．又∵AE⊥PD，∴PD⊥平面 ABE，故 BE⊥ PD．（ 2）解：以A 为原点，、、所在直线为坐标轴，建立空间直角坐标系，则点、AB AD APC D的坐标分别为（a， a，0），（0，2a，0）．∵PA⊥平面 ABCD，∠ PDA是 PD与底面 ABCD所成的角，∴∠ PDA=30°．于是，在 Rt △AED中，由AD=2a，得AE=a．过E作EF⊥AD，垂足为F，在 Rt △AFE中，由AE=a，∠ EAF=60°，得 AF=a， EF=3a，∴ E（0，1a,3a）2222于是， AE{ 0, 1a,3a}, CD ={－a，a，0}2 2设AE 与 CD 的夹角为θ，则由AE CD 0 ( a)1a a3 a222cos θ =4|AE| |CD |( 1a) 2( 3 a) 2 ( a)2a2020222与所成角的余弦值为2 ． AECD421．解：（ 1）略．（ 2）如图，建立空间直角坐标系D —xyz ,则知 B （ 1， 1， 0）， E( 1 ,1,1), F (0, 1,1).22设 n ( x, y, z)是平面 BDEF 的法向量 .由nDB, nDF ,DB(1,1,0), DF (0, 1,1)2 得nDB x y 0则xyn DF1 yz 0z 1y.22令 y1,得 n ( 1,1,1) ．2设点 A 在平面 B DFE 上的射影为 H ，连结 A D ，知 A D 是平面 B DFE 的斜线段．111A D( 1,0, 1), AD n( 1)( 1)1 ( 1)( 1 ) 3 .12 2又 | A 1D| ( 1)2 O 2 ( 1)2 2 ,| n | ( 1)212 ( 1 ) 23 ,2 2A 1D n 32 cos A 1D, A 1H2 3 .| A 1D | | n |222| A 1 H | | A 1D | cos A 1D, A 1H2 21.2即点1到平面DFE 的距离为 1．AB（ 3）由（ 2）知， A H=1，又 A D=2 ，则△ A HD 为等腰直角三角形，111A 1 DH DA 1 H 45A 1 H平面 BDFE , HD 是 A 1 D 在平面 BDFE 上的射影 ,A 1 DH 就是直线 A 1 D 与平面 BDFE 所成的角 ,A 1 DH 45 .。

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