内容正文:
29 专题逐一通关“阶段整合练”(四)
真题融合卷
立体几何
(满分:150分 时间:120分钟)
一、选择题:本大题共8个小题,每小题5分,共40分.在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的.
1.(2021·新高考Ⅰ卷)已知圆锥的底面半径为,其侧面展开图为一个半圆,则该圆锥的母线长为( )
A.2 B.2
C.4 D.4
B [设圆锥的母线长为l,因为该圆锥的底面半径为,所以2π×=πl,解得l=2.故选B.]
2.(2020·天津卷)若棱长为2的正方体的顶点都在同一球面上,则该球的表面积为( )
A.12π B.24π
C.36π D.144π
C [设外接球的半径为R,易知2R=×2=6,所以R=3,于是表面积S=4πR2=36π.故选C.]
3.(2024·新课标Ⅰ卷)已知圆柱和圆锥的底面半径相等,侧面积相等,且它们的高均为,则圆锥的体积为( )
A.2π B.3π
C.6π D.9π
B [设圆柱的底面半径为r,则圆锥的母线长为,而它们的侧面积相等,所以2πr×=πr×,即2=,故r=3,
故圆锥的体积为π×9×=3π.故选B.]
4.(2024·全国甲卷)设α,β是两个平面,m,n是两条直线,且α∩β=m.下列四个命题:
①若m∥n,则n∥α或n∥β;②若m⊥n,则n⊥α,n⊥β;③若n∥α,且n∥β,则m∥n;④若n与α和β所成的角相等,则m⊥n.
其中所有真命题的编号是( )
A.①③ B.②④
C.①②③ D.①③④
A [对于①,当n⊂α,因为m∥n,m⊂β,则n∥β;
当n⊂β,因为m∥n,m⊂α,则n∥α;
当n既不在α内也不在β内,因为m∥n,m⊂α,m⊂β,则n∥α且n∥β,故①正确;
对于②,若m⊥n,则n与α,β不一定垂直,故②错误;
对于③,如图过直线n分别作两平面与α,β分别相交于直线s和直线t,
因为n∥α,过直线n的平面与平面α的交线为直线s,则根据线面平行的性质定理知n∥s,
同理可得n∥t,则s∥t,因为s⊄平面β,t⊂平面β,则s∥平面β,
因为s⊂平面α,α∩β=m,则s∥m,又因为n∥s,则m∥n,故③正确;
对于④,若α∩β=m,n与α和β所成的角相等,如果n∥α,n∥β,则m∥n,故④错误.
综上只有①③正确,故选A.]
5.(2021·全国乙卷)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,P为B1D1的中点,则直线PB与AD1所成的角为( )
A. B.
C. D.
D [法一:如图,连接C1P,因为ABCD-A1B1C1D1是正方体,且P为B1D1的中点,所以C1P⊥B1D1,又C1P⊥BB1,B1D1∩BB1=B1,B1D1,BB1⊂平面B1BP,
所以C1P⊥平面B1BP.又BP⊂平面B1BP,所以有C1P⊥BP.连接BC1,则AD1∥BC1,所以∠PBC1为直线PB与AD1所成的角.设正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,则在直角三角形C1PB中,C1P=B1D1=,BC1=2,sin∠PBC1==,所以∠PBC1=.
法二:以B1为坐标原点,B1C1,B1A1,B1B所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系(图略),设正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,则B(0,0,2),P(1,1,0),D1(2,2,0),A(0,2,2),=(-1,-1,2),=(2,0,-2).设直线PB与AD1所成的角为θ,则cos θ===.因为θ∈,所以θ=.
法三:如图所示,连接BC1,A1B,A1P,PC1,则易知AD1∥BC1,所以直线PB与AD1所成的角等于直线PB与BC1所成的角,即∠PBC1.根据P为正方形A1B1C1D1的对角线B1D1的中点,易知A1,P,C1三点共线,且P为A1C1的中点.易知A1B=BC1=A1C1,所以△A1BC1为等边三角形,所以∠A1BC1=,又P为A1C1的中点,所以可得∠PBC1=∠A1BC1=.]
6.(2023·全国甲卷)在三棱锥P-ABC中,△ABC是边长为2的等边三角形,PA=PB=2,PC=,则该棱锥的体积为( )
A.1 B.
C.2 D.3
A [
法一:如图,取AB的中点D,连接PD,CD,因为△ABC是边长为2的等边三角形,PA=PB=2,所以PD⊥AB,CD⊥AB,所以PD=CD=,又PC=,所以PD2+CD2=PC2,所以PD⊥CD,又AB∩CD=D,AB,CD⊂平面ABC,所以PD⊥平面ABC,所以VP-ABC=×S△ABC×PD=××2××=1.
法二:如图(同法一),PA=PB=2,AB=BC=2.
取AB的中点D,连接PD,CD,可得AB⊥PD,AB⊥CD.
又PD∩CD=D,
所以AB⊥平面PCD.
又PD=CD==,
又PC=,所以PD2+CD2=PC2,则PD⊥CD.
所以S△PCD=PD·CD=××=,
所以VP-ABC=S△PCD·AB=××2=1.]
7.(2022·全国乙卷)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F分别为AB,BC的中点,则( )
A.平面B1EF⊥平面BDD1
B.平面B1EF⊥平面A1BD
C.平面B1EF∥平面A1AC
D.平面B1EF∥平面A1C1D
A [在正方体ABCD-A1B1C1D1中,
AC⊥BD且DD1⊥平面ABCD,
又EF⊂平面ABCD,所以EF⊥DD1,
因为E,F分别为AB,BC的中点,
所以EF∥AC,所以EF⊥BD,
又BD∩DD1=D,
所以EF⊥平面BDD1,
又EF⊂平面B1EF,
所以平面B1EF⊥平面BDD1,故A正确;
如图,以点D为原点,建立空间直角坐标系,设AB=2,
则D(0,0,0),B1(2,2,2),E(2,1,0),F(1,2,0),B(2,2,0),A1(2,0,2),A(2,0,0),C(0,2,0),C1(0,2,2),
则=(-1,1,0),=(0,1,2),=(2,2,0),=(2,0,2),
=(0,0,2),=(-2,2,0),=(-2,2,0),
设平面B1EF的法向量为m=(x1,y1,z1),
则有可取m=(2,2,-1),
同理可得平面A1BD的一个法向量为n1=(1,-1,-1),
平面A1AC的一个法向量为n2=(1,1,0),
平面A1C1D的一个法向量为n3=(1,1,-1),
则m·n1=2-2+1=1≠0,
所以平面B1EF与平面A1BD不垂直,故B错误;
因为m与n2不平行,
所以平面B1EF与平面A1AC不平行,故C错误;
因为m与n3不平行,
所以平面B1EF与平面A1C1D不平行,故D错误.
故选A.]
8.(2022·新高考Ⅰ卷)已知正四棱锥的侧棱长为l,其各顶点都在同一球面上.若该球的体积为36π,且3≤l≤3,则该正四棱锥体积的取值范围是( )
A. B.
C. D.
C [因为球的体积为36π,所以球的半径R=3,
设正四棱锥的底面边长为2a,高为h,
则l2=2a2+h2,32=2a2+(3-h)2,
所以6h=l2,2a2=l2-h2,
所以正四棱锥的体积V=Sh=×4a2×h=××=,
所以V'==l3,
当3≤l<2 时,V'>0,当2 <l≤3 时,V'<0,
所以当l=2 时,正四棱锥的体积V取最大值,最大值为,
又l=3时,V=,l=3 时,V=,
所以正四棱锥的体积V的最小值为,
所以该正四棱锥体积的取值范围是.故选C.]
二、选择题:本大题共3个小题,每小题6分,共18分.在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得部分分,有选错的得0分.
9.(2025·全国一卷)在正三棱柱ABC-A1B1C1中,D为BC的中点,则( )
A.AD⊥A1C B.B1C1⊥平面AA1D
C.AD∥A1B1 D.CC1∥平面AA1D
BD [由三棱柱的性质可知,AA1⊥平面ABC,则AA1⊥AD,假设AD⊥A1C,又AA1∩A1C=A1,AA1,A1C⊂平面AA1C1C,所以AD⊥平面AA1C1C,矛盾,所以AD与A1C不垂直,故A错误;
因为三棱柱ABC-A1B1C1是正三棱柱,所以AA1⊥平面ABC,则AA1⊥BC,因为D为BC的中点,AC=AB,所以AD⊥BC,又AD∩AA1=A,AD,AA1⊂平面AA1D,所以BC⊥平面AA1D,又BC∥B1C1,所以B1C1⊥平面AA1D,故B正确;
因为AB∥A1B1,AD与AB相交,所以AD与A1B1异面,故C错误;
因为CC1∥AA1,CC1⊄平面AA1D,AA1⊂平面AA1D,所以CC1∥平面AA1D,故D正确.故选BD.]
[教材链接] 本题源自人教A版必修第二册第148页练习第4题、第159页练习第4题、第162页习题8.6第4题.
10.(2023·新课标Ⅱ卷)已知圆锥的顶点为P,底面圆心为O,AB为底面直径,∠APB=120°,PA=2,点C在底面圆周上,且二面角P-AC-O为45°,则( )
A.该圆锥的体积为π B.该圆锥的侧面积为4π
C.AC=2 D.△PAC的面积为
AC [在△PAB中,由余弦定理得AB=2.如图,连接PO,易知圆锥的高h=PO=1,底面圆的半径r=AO=BO=.对于A,该圆锥的体积V=πr2h=π,故A选项正确;对于B,该圆锥的侧面积S侧=πr·PA=2π,故B选项错误;对于C,取AC的中点H,连接PH,OH,因为OA=OC,所以OH⊥AC,同理可得PH⊥AC,则二面角P-AC-O的平面角为∠PHO=45°,所以OH=PO=1,AH=CH==,所以AC=2,故C选项正确;对于D,PH=OH=,S△PAC=×AC×PH=2,故D选项错误.故选AC.]
11.(2022·新高考Ⅰ卷)已知正方体ABCD-A1B1C1D1,则( )
A.直线BC1与DA1所成的角为90°
B.直线BC1与CA1所成的角为90°
C.直线BC1与平面BB1D1D所成的角为45°
D.直线BC1与平面ABCD所成的角为45°
ABD [如图,连接B1C ,BC1,因为DA1∥B1C ,所以直线BC1与B1C所成的角即为直线BC1与DA1所成的角,
因为四边形BB1C1C为正方形,则B1C⊥BC1,故直线BC1与DA1所成的角为90°,A正确;
连接A1C,因为A1B1⊥平面BB1C1C,BC1⊂平面BB1C1C,则A1B1⊥BC1 ,
因为B1C⊥BC1,A1B1∩B1C=B1,所以BC1⊥平面A1B1C,
又CA1⊂平面A1B1C,所以BC1⊥CA1,故B正确;
连接A1C1,设A1C1∩B1D1=O,连接BO,
因为BB1⊥平面A1B1C1D1,C1O⊂平面A1B1C1D1,则C1O⊥B1B,
因为C1O⊥B1D1,B1D1∩B1B=B1,
所以C1O⊥平面BB1D1D,
所以∠C1BO为直线BC1与平面BB1D1D所成的角,
设正方体棱长为1,则C1O=,BC1=,sin∠C1BO==,
所以直线BC1与平面BB1D1D所成的角为30°,故C错误;
因为C1C⊥平面ABCD,所以∠C1BC为直线BC1与平面ABCD所成的角,易得∠C1BC=45°,故D正确.故选ABD.]
三、填空题:本大题共3个小题,每小题5分,共15分.
12.(2019·北京卷)已知l,m是平面α外的两条不同直线.给出下列三个论断:
①l⊥m;②m∥α;③l⊥α.
以其中的两个论断作为条件,余下的一个论断作为结论,写出一个正确的命题:________.
如果l⊥α,m∥α,则l⊥m或如果l⊥α,l⊥m,则m∥α [将所给论断,分别作为条件、结论,得到如下三个命题:
(1)如果l⊥α,m∥α,则l⊥m.正确;
(2)如果l⊥α,l⊥m,则m∥α.正确;
(3)如果l⊥m,m∥α,则l⊥α.不正确,有可能l与α斜交、l∥α.]
13.(2018·全国Ⅱ卷)已知圆锥的顶点为S,母线SA,SB所成角的余弦值为,SA与圆锥底面所成角为45°.若△SAB的面积为5,则该圆锥的侧面积为________.
40π [如图所示,设S在底面的射影为S',连接AS',SS'.△SAB的面积为·SA·SB·sin∠ASB=·SA2·=·SA2=5,所以SA2=80,SA=4.因为SA与底面所成的角为45°,所以∠SAS'=45°,AS'=SA·cos 45°=4×=2.所以底面周长l=2π·AS'=4π,所以圆锥的侧面积为×4×4π=40π.]
14.(2023·全国甲卷)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=4,O为AC1的中点,若该正方体的棱与球O的球面有公共点,则球O的半径的取值范围是________.
[2,2] [由该正方体的棱与球O的球面有公共点,可知球O的半径应介于该正方体的棱切球半径和外接球半径之间(包括棱切球半径和外接球半径).设该正方体的棱切球半径为r,因为AB=4,所以2r=×4,所以r=2;设该正方体的外接球半径为R,因为AB=4,所以(2R)2=42+42+42,所以R=2.所以球O的半径的取值范围是[2,2].]
四、解答题:本大题共5个小题,共77分.解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤.
15.(13分)(2024·新课标Ⅰ卷)如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,PA=AC=2,BC=1,AB=.
(1)若AD⊥PB,证明:AD∥平面PBC;
(2)若AD⊥DC,且二面角A-CP-D的正弦值为,求AD.
[解] (1)证明:因为PA⊥平面ABCD,而AD⊂平面ABCD,所以PA⊥AD.
又AD⊥PB,PB∩PA=P,PB,PA⊂平面PAB,所以AD⊥平面PAB,
而AB⊂平面PAB,所以AD⊥AB.
因为BC2+AB2=AC2,所以BC⊥AB,根据平面知识可知AD∥BC,
又AD⊄平面PBC,BC⊂平面PBC,所以AD∥平面PBC.
(2)法一:如图所示,过点D作DE⊥AC于点E,再过点E作EF⊥CP于点F,连接DF,
因为PA⊥平面ABCD,PA⊂平面PAC,所以平面PAC⊥平面ABCD,而平面PAC∩平面ABCD=AC,DE⊥AC,DE⊂平面ABCD,
所以DE⊥平面PAC,所以DE⊥PC.又EF⊥CP,EF∩DE=E,EF,DE⊂平面DEF,所以CP⊥平面DEF,CP⊥DF.
根据二面角的定义可知,∠DFE即为二面角A-CP-D的平面角,
即sin∠DFE=,即tan∠DFE=.
因为AD⊥DC,设AD=x,则CD=,由等面积法可得,DE=,
又CE==,而△EFC为等腰直角三角形,所以EF=,
故tan∠DFE==,解得x=,即AD=.
法二:由题意知DC,AD,AP两两垂直,以D为坐标原点,AD所在直线为x轴,DC所在直线为y轴,过点D且平行于AP的直线为z轴建立如图所示的空间直角坐标系,则D(0,0,0),设A(a,0,0),a>0,则CD=,C(0,,0),P(a,0,2),=(0,-,0),=(-a,,0),=(a,-,2).
设平面CPD的法向量为n=(x,y,z),
则即
可取n=(2,0,-a).
设平面ACP的法向量为m=(x1,y1,z1),
则即
可取m=(,a,0).
因为二面角A-CP-D的正弦值为,
所以余弦值的绝对值为,
故|cos<m,n>|=
==,
又a>0,所以a=,即AD=.
16.(15分)(2023·新课标Ⅱ卷)如图,三棱锥A-BCD中,DA=DB=DC,BD⊥CD,∠ADB=∠ADC=60°,E为BC的中点.
(1)证明:BC⊥DA;
(2)点F满足=,求二面角D-AB-F的正弦值.
[解] (1)证明:连接DE,AE,
因为DC=DB,且E为BC的中点,所以DE⊥BC.
因为∠ADB=∠ADC=60°,DA=DA,DC=DB,
所以△ADB≌△ADC(SAS).
可得AC=AB,故AE⊥BC.
因为DE∩AE=E,DE,AE⊂平面ADE,所以BC⊥平面ADE.
又DA⊂平面ADE,所以BC⊥DA.
(2)由(1)知,DE⊥BC,AE⊥BC.
不妨设DA=DB=DC=2,因为∠ADB=∠ADC=60°,所以AB=AC=2.
由题可知△CDB为等腰直角三角形,故DE=EB=EC=.
因为AE⊥BC,所以AE==.
在△ADE中,AE2+ED2=AD2,所以AE⊥ED.
以E为坐标原点,ED所在直线为x轴,EB所在直线为y轴,EA所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,如图,则D(,0,0),B(0,,0),A(0,0,),=(-,0,),=(0,-,).
设F(xF,yF,zF),因为=,所以(xF,yF,zF)=(-,0,),可得F(-,0,).
所以=(,0,0).
设平面DAB的法向量为m=(x1,y1,z1),
则即
取x1=1,则y1=z1=1,m=(1,1,1).
设平面ABF的法向量为n=(x2,y2,z2),
则即
得x2=0,取y2=1,则z2=1,n=(0,1,1).
所以|cos<m,n>|===.
记二面角D-AB-F的大小为θ,则sin θ===,
故二面角D-AB-F的正弦值为.
17.(15分)(2024·天津卷)如图,在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AB⊥AD,AB∥DC,AB=AA1=2,AD=DC=1.M,N分别为DD1,B1C1的中点.
(1)求证:D1N∥平面CB1M;
(2)求平面CB1M与平面BB1C1C夹角的余弦值;
(3)求点B到平面CB1M的距离.
[解] (1)证明:取CB1中点P,连接NP,MP(图略),
由N是B1C1的中点,故NP∥CC1,且NP=CC1,
由M是DD1的中点,故D1M=DD1=CC1,且D1M∥CC1,
则有D1M∥NP,D1M=NP,
故四边形D1MPN是平行四边形,故D1N∥MP,
又MP⊂平面CB1M,D1N⊄平面CB1M,
故D1N∥平面CB1M.
(2)以A为原点,建立如图所示空间直角坐标系,
有A(0,0,0),B(2,0,0),
B1(2,0,2),M(0,1,1),
C(1,1,0),C1(1,1,2),
则有=(1,-1,2),=(-1,0,1),=(0,0,2),
设平面CB1M与平面BB1C1C的法向量分别为m=(x1,y1,z1),n=(x2,y2,z2),
则有
分别取x1=x2=1,则有y1=3,z1=1,y2=1,z2=0,
即m=(1,3,1),n=(1,1,0),
则|cos<m,n>|===,
故平面CB1M与平面BB1C1C夹角的余弦值为.
(3)由=(0,0,2),平面CB1M的法向量为m=(1,3,1),
则有==,
即点B到平面CB1M的距离为.
18.(17分)(2025·全国一卷)如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AB⊥AD,BC∥AD.
(1)证明:平面PAB⊥平面PAD.
(2)设PA=AB=,BC=2,AD=1+,且点P,B,C,D均在球O的球面上.
(ⅰ)证明:点O在平面ABCD内;
(ⅱ)求直线AC与PO所成角的余弦值.
[解] (1)证明:因为PA⊥平面ABCD,AD⊂平面ABCD,所以PA⊥AD,
又AD⊥AB,PA∩AB=A,PA,AB⊂平面PAB,所以AD⊥平面PAB,
又AD⊂平面PAD,所以平面PAD⊥平面PAB.
(2)(ⅰ)证明:以A为坐标原点,,,的方向分别为x,y,z轴的正方向,建立空间直角坐标系,如图所示,
则B(,0,0),C(,2,0),D(0,1+,0),P(0,0,),设O(a,b,c),
因为点P,B,C,D均在球O的球面上,所以||=||=||=||,
则(a-)2+b2+c2=(a-)2+(b-2)2+c2=a2+(b-1-)2+c2=a2+b2+(c-)2,
得a=0,b=1,c=0,即O(0,1,0),
所以点O在AD上,即点O在平面ABCD内.
(ⅱ)=(,2,0),=(0,1,-),
则cos<,>===,
所以直线AC与PO所成角的余弦值为.
19.(17分)(2025·全国二卷)如图,在四边形ABCD中,AB∥CD,∠DAB=90°,F为CD的中点,点E在AB上,EF∥AD,AB=3AD,CD=2AD.将四边形EFDA沿EF翻折至四边形EFD'A',使得平面EFD'A'与平面EFCB所成的二面角为60°.
(1)证明:A'B∥平面CD'F;
(2)求平面BCD'与平面EFD'A'所成的二面角的正弦值.
[解] (1)证明:法一:因为EB∥FC,EB⊄平面CD'F,FC⊂平面CD'F,所以EB∥平面CD'F,
因为A'E∥D'F,A'E⊄平面CD'F,D'F⊂平面CD'F,
所以A'E∥平面CD'F.
因为EB⊂平面BA'E,A'E⊂平面BA'E,EB∩A'E=E,所以平面BA'E∥平面CD'F.
因为A'B⊂平面BA'E,所以A'B∥平面CD'F.
法二:如图,延长DC至点G,使得DG=AB,连接GB,GD',
因为AB∥CD,所以AB∥DG,又AB=DG,
所以四边形ABGD是平行四边形,所以AD=BG,AD∥BG.
翻折后,A'D'=BG,A'D'∥BG,
所以四边形A'BGD'是平行四边形,所以A'B∥D'G.
因为A'B⊄平面CD'F,D'G⊂平面CD'F,
所以A'B∥平面CD'F.
(2)因为∠DAB=90°,EF∥AD,所以∠FEB=90°,即AB⊥EF,翻折后,A'E⊥EF,EB⊥EF,
所以平面EFD'A'与平面EFCB所成二面角的平面角为∠A'EB,
即∠A'EB=60°,同理∠D'FC=60°.
设AD=1,取CF的中点O,连接D'O,
在△OD'F中,D'F=1,OF=,∠D'FO=60°,由余弦定理得OD'=,
所以D'F2=OF2+OD'2,所以OD'⊥OF.
在线段EB上取一点M,使得EM=,连接OM,则EM=OF,又EM∥OF,所以四边形EMOF为平行四边形,
所以EF∥OM,
因为D'F⊥EF,CF⊥EF,D'F∩CF=F,D'F,CF⊂平面CD'F,
所以EF⊥平面CD'F,即OM⊥平面CD'F,
所以OM,OC,OD'两两垂直,
如图所示,以O为坐标原点,以,,的方向为x轴、y轴、z轴的正方向,建立空间直角坐标系,
则B,C,D',
E,F,=(1,1,0),
=,=(1,0,0),
=.
设平面BCD'的法向量为m=(x1,y1,z1),
则即
取z1=,则m=(-3,3,).
设平面EFD'A'的法向量为n=(x2,y2,z2),
则即
取z2=,则n=(0,-3,).
设平面BCD'与平面EFD'A'的夹角为θ,
则cos θ====,
所以sin θ===,
所以平面BCD'与平面EFD'A'所成二面角的正弦值为.
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