内容正文:
第七章
立体几何
高考大题规范解答——立体几何
提能训练 练案[46]
1.(15分)(2025·新课标Ⅰ卷)如图所示的四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,BC∥AD,AB⊥AD.
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第七章 立体几何
(1)证明:平面PAB⊥平面PAD;
(ⅰ)证明:O在平面ABCD上;
(ⅱ)求直线AC与直线PO所成角的余弦值.
[教材链接] 本题源自人教A版必修第二册第164页习题8.6第21题,选择性必修第一册第39页例10、第49页复习参考题1第12题.
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第七章 立体几何
[解析] (1)证明:因为PA⊥平面ABCD,AD⊂平面ABCD,所以PA⊥AD, (1分)
又AD⊥AB,PA∩AB=A,所以AD⊥平面PAB, (3分)
又AD⊂平面PAD,所以平面PAD⊥平面PAB. (4分)
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得分保障:得分点:第(1)问得到PA⊥AD可得1分,得到AD⊥平面PAB可得2分,注意需指出PA∩AB=A,证得平面PAD⊥平面PAB可得1分.
第(2)(ⅰ)问正确建立空间直角坐标系(右手系)可得1分,写出各点坐标并列出半径等量关系可得2分,得到点O的坐标可得2分,证得结论可得1分.
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第七章 立体几何
[命题人思维破译] 本题第(1)问以常见的四棱锥为载体,考查线面垂直、面面垂直,比较常规.
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2.(15分)(2025·新课标Ⅱ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′,使得面EFD′A′与面EFCB所成的二面角为60°.
(1)证明:A′B∥平面CD′F;
(2)求面BCD′与面EFD′A′所成的二面角的正弦值.
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[解析] (1)证明:证法一:第1步:利用线线平行得两组线面平行
∵EB∥FC,EB⊄平面CD′F,FC⊂平面CD′F,
∴EB∥平面CD′F, (2分)
∵A′E∥D′F,A′E⊄平面CD′F,D′F⊂平面CD′F,
∴A′E∥平面CD′F. (4分)
第2步:利用两组线面平行得面面平行
∵EB⊂平面BA′E,A′E⊂平面BA′E,EB∩A′E=E,
∴平面BA′E∥平面CD′F.(题眼) (5分)
第3步:利用面面平行得线面平行
∵A′B⊂平面BA′E,∴A′B∥平面CD′F. (6分)
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证法二:第1步:利用面面平行的判定定理得面面平行
∵EB∥FC,A′E∥D′F, (1分)
EB⊂平面BA′E,A′E⊂平面BA′E,
FC⊂平面CD′F,D′F⊂平面CD′F, (3分)
EB∩A′E=E,FC∩D′F=F,
∴平面BA′E∥平面CD′F.(题眼) (5分)
第2步:利用面面平行得线面平行
∵A′B⊂平面BA′E,∴A′B∥平面CD′F. (6分)
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证法三:第1步:补形,将梯形ABCD补形为平行四边形ABGD
如图,延长DC至点G,使得DG=AB,连接GB,GD′, (1分)
∵AB∥CD,∴AB∥DG,又AB=DG,
∴四边形ABGD是平行四边形,
∴AD=BG,AD∥BG. (3分)
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第2步:利用翻折过程中与折痕平行的直线平行关系不变得到线线平行,进而证明A′B∥D′G
翻折后,A′D′=BG,A′D′∥BG,
∴四边形A′BGD′是平行四边形,
∴A′B∥D′G.(题眼) (5分)
第3步:利用线线平行得线面平行
∵A′B⊄平面CD′F,D′G⊂平面CD′F,
∴A′B∥平面CD′F. (6分)
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(2)第1步:找到面EFD′A′与面EFCB所成二面角的平面角
∵∠DAB=90°,EF∥AD,
∴∠FEB=90°,即AB⊥EF,
翻折后,A′E⊥EF,EB⊥EF,
∴面EFD′A′与面EFCB所成二面角的平面角为∠A′EB,(题眼)
即∠A′EB=60°,同理∠D′FC=60°, (7分)
第2步:找出3条两两垂直的线段,建立空间直角坐标系
设AD=1,取CF的中点O,连接D′O,
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∵D′F⊥EF,CF⊥EF,D′F∩CF=F,
∴EF⊥平面CD′F,即OM⊥平面CD′F,
∴OM、OC、OD′两两垂直,(题眼)
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得分保障:得分点:第(1)问涉及线面平行的证明,解法一中利用线线平行得两组线面平行各得2分,再得面面平行得1分,由面面平行得线面平行再得1分;
第(2)问得到∠A′EB=60°得1分,正确建立空间直角坐标系得2分,求出相关点及向量的坐标得1分,求得两个平面的法向量各得1分,求出平面与平面夹角的余弦值得1分,会利用同角三角函数的基本关系求出所求二面角的正弦值得2分.
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第七章 立体几何
[解后反思] ①如果已知空间几何体中两两垂直且第三条直线不太明显,就要利用题目中已有的线段长度、角度等去寻找垂直.
②近年高考中的立体几何大题,一般遵循第(1)问利用传统法求解,第(2)问利用建系法求解,能用建系法突破角度、距离等问题,尽量用建系法,只要正确建立空间直角坐标系,写出相关点及向量的坐标,细心运算,一般都可以拿全分.
③立体几何“翻折”问题在高考中屡见不鲜,考生在考场上完全可以借助草稿纸尝试翻折,这样更有助于考生直观感受几何体中的“隐蔽”信息.
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提能训练 练案[46]
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所以PA2+AC2=PC2,所以PA⊥AC,
在△PAB中,PA2+AB2=PB2,所以PA⊥AB,
又因为AB∩AC=A,所以PA⊥平面ABCD,
所以∠PDA即为直线PD与平面ABCD所成的角,
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所以PC2=PB2+BC2,所以BC⊥PB,
又因为PA⊥BC,PA∩PB=P,
所以BC⊥平面PAB,
因为AB⊂平面PAB,所以BC⊥AB,
因为AD∥平面PBC,AD⊂平面ABCD,
平面ABCD∩平面PBC=BC,
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由(1)可知,PA⊥平面ABCD,又PA⊂平面PAC,
所以平面PAC⊥平面ABCD,
又DO⊥AC,平面PAC∩平面ABCD=AC,
则DO⊥平面PAC,所以DO⊥PC,且DO=1,
如图,过点O作OE⊥PC于点E,连接DE,
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因为DO⊥PC,OE⊥PC,且OE∩DO=O,
所以PC⊥平面OED,又DE⊂平面OED,所以DE⊥PC,
所以∠OED即为二面角A-PC-D的平面角,
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2.(2025·安徽六校教育研究会素质测试)如图,在三棱台ABC-A1B1C1中,上、下底面是边长分别为4和6的等边三角形,AA1⊥平面ABC,设平面AB1C1∩平面ABC=l,点E,F分别在直线l和直线BB1上,且满足EF⊥l,EF⊥BB1.
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[解析] (1)证明:由三棱台ABC-A1B1C1知,B1C1∥平面ABC,因为B1C1⊂平面AB1C1,且平面AB1C1∩平面ABC=l,所以B1C1∥l,
因为EF⊥l,所以EF⊥BC,
又EF⊥BB1,BC∩BB1=B,BC,BB1⊂平面BCC1B1,
所以EF⊥平面BCC1B1.
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(2)取BC中点M,连接AM,以A为原点,AM为y轴,AA1为z轴,
过点A作x轴垂直于yOz平面,建立空间直角坐标系如图,设三棱台的高为h,
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(1)求证:AC⊥平面BEF;
(2)求平面BCD与平面CDC1夹角的余弦值;
(3)求点G到平面BCD的距离.
[解析] (1)证明:在△ABC中,因为AB=BC,且E为AC的中点,所以AC⊥BE,
在矩形ACC1A1中,因为E和F分别为AC和A1C1的中点,可得EF∥CC1,
因为CC1⊥平面ABC,且AC⊂平面ABC,
可得AC⊥CC1,所以AC⊥EF,
又因为BE∩EF=E,且BE,EF⊂平面BEF,
所以AC⊥平面BEF.
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(2)以E为原点,以EB,EC,EF所在直线分别为x轴,y轴和z轴,建立空间直角坐标系,
如图所示,则B(2,0,0),C(0,1,0),D(0,-1,1),
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取y=2,可得x=1,z=4,所以n=(1,2,4);
因为CC1⊥平面ABC,且BE⊂平面ABC,
可得BE⊥CC1,
又因为AC⊥BE,且AC∩CC1=C,AC,CC1⊂平面ACC1A,
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4.(2026·八省八校T8联考)如图,在斜三棱柱ABC-A1B1C1中,∠BAC=90°,AB=AC,∠A1AB=∠A1AC,O是BC的中点.
(1)求证:平面BCC1B1⊥平面A1AO;
(2)若A1O⊥底面ABC,且直线AA1与底面ABC所成角为60°,D是棱BB1的中点,求平面AC1D与平面ABC夹角的余弦值.
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[解析] (1)证明:如图,连接A1B,A1C.
∵AB=AC,∠A1AB=∠A1AC,A1A=A1A,
∴△A1AB≌△A1AC,∴A1B=A1C.
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∵O为BC中点,∴BC⊥A1O.又AC=AB.
∴BC⊥AO.
又AO∩A1O=O,AO⊂平面A1AO,A1O⊂平面A1AO,
∴BC⊥平面A1AO.
∵BC⊂平面BCC1B1,
∴平面A1AO⊥平面BCC1B1.
(2)∵A1O⊥平面ABC,
∴∠A1AO为A1A与平面ABC所成的角,即∠A1AO=60°.
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5.(2026·黑龙江摸底)如图,在△ABC中,AC⊥BC,AB=2BC=6,E为AB的中点,过点E作DE⊥AB交AC于点D,将△ADE沿DE翻折至△PDE,得到四棱锥P-BCDE,F为棱PB上一动点(不包含端点).
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[解析] (1)证明:因为AC⊥BC,AB=2BC=6,
所以∠ABC=60°,连接CE,
因为E为AB的中点,所以△BCE是等边三角形.
取BE的中点G,连接CG,FG,
则CG⊥BE,则FG∥PE,CG∥DE.
因为FG⊄平面PDE,CG⊄平面PDE,
PE⊂平面PDE,DE⊂平面PDE,
所以FG∥平面PDE,CG∥平面PDE,
又CG∩FG=G,CG,FG⊂平面FCG,
所以平面FCG∥平面PDE,
又CF⊂平面FCG,
所以CF∥平面PDE.
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所以PE2+BE2=18=PB2,
所以PE⊥BE,
因为DE⊥AB,所以DE⊥PE,
又BE∩DE=E,BE,DE⊂平面BCDE,
所以PE⊥平面BCDE,
以E为原点,ED,EB,EP所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
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[解析] (1)证明:如图,取AP的中点E,连接ME,BE.
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(2)由题意,PA⊥平面ABCD,AB⊥AD,则AP,AB,AD两两互相垂直,建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz.
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平面PAB的一个法向量为n1=(0,1,0).
设平面PCD的法向量为n2=(x,y,z),
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谢谢观看
(2)PA=AB=,AD=1+,BC=2,P,B,C,D在同一个球面上,设该球面的球心为O.
(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A-xyz,如图所示, (5分)
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, (7分)
得a=0,b=1,c=0,即O(0,1,0),(9分)
所以点O在AD上,即点O在平面ABCD内. (10分)
(ⅱ)=(,2,0),=(0,1,-), (12分)
则cos〈,〉===, (14分)
所以直线AC与PO所成角的余弦值为. (15分)
第(2)(ⅱ)问正确写出,的坐标可得2分,求出两向量夹角的余弦值可得2分,写出结论可得1分.
第(2)问创新考查形式,以往高考题中球的考查往往放在小题中,本次在解答题中考查,同时呼应了2025年1月份的八省联考最后一题.采用坐标法设出球心坐标,联立方程可求出球心位置,确定球心O的坐标后向量的坐标就能确定,进而可求出直线AC与PO所成角的余弦值.
在△OD′F中,D′F=1,OF=,∠D′FO=60°,
由余弦定理得OD′=,
∴D′F2=OF2+OD′2,∴OD′⊥OF. (8分)
在线段EB上取一点M,使得EM=,连接OM,则EM=OF,又EM∥OF,
∴四边形EMOF为平行四边形,
∴EF∥OM,
如图所示,以O为坐标原点,,,的方向分别为x轴,y轴,z轴的正方向,建立空间直角坐标系,(易错警示:没有寻找到3条两两垂直的线段,想当然建系,导致完全丢分) (9分)
第3步:写出相关点及向量的坐标
则B,C,D′,E,F,=(1,1,0),=,=(1,0,0),=. (10分)
第4步:求平面BCD′的法向量
设平面BCD′的法向量为m=(x1,y1,z1),
则即
取z1=,则m=(-3,3,). (11分)
第5步:求平面EFD′A′的法向量
设平面EFD′A′的法向量为n=(x2,y2,z2),
则即
取z2=,则n=(0,-3,). (12分)
第6步:利用向量的夹角公式求平面与平面夹角的余弦值
设平面BCD′与平面EFD′A′的夹角为θ,
则cos θ====. (13分)
第7步:利用同角三角函数的基本关系求二面角的正弦值
∴sin θ===,
∴平面BCD′与平面EFD′A′所成二面角的正弦值为. (15分)
1.(2026·河北沧州质检)如图,在四棱锥P-ABCD中,B,D在以AC为直径的圆上,PA=AC,∠BAC=,BC=1,PC=2,PB=.
(1)若AD∥平面PBC,求直线PD与平面ABCD所成角的正切值;
(2)若AD=,求二面角A-PC-D的余弦值.
[解析] (1)依题意可知,∠ABC=,BC=1,∠BAC=,
所以AC=2,AB=,
又PC=2,且PA=AC,
因为PC=2,PB=,BC=1,
所以AD∥BC,所以AD⊥AB,即∠CAD=,
所以AD=ACcos =1,tan∠PDA==2,
即直线PD与平面ABCD所成角的正切值为2.
(2)若AD=,此时AD=DC=,则D在AC上的射影为AC的中点,记为O,
因为△PAC为等腰直角三角形,所以点A到PC的距离为,
所以OE=,
在Rt△DOE中,DO=1,OE=,则DE=,
所以cos∠OED===,
所以二面角A-PC-D的余弦值为.
(1)证明:EF⊥平面BCC1B1;
(2)若直线EF和平面ABC所成角的余弦值为,求该三棱台的体积.
则B(3,3,0),B1(2,2,h),=(6,0,0),=(-1,-,h),
设平面BCC1B1的法向量为n=(x,y,z),
则即
令z=,可得平面BCC1B1的一个法向量n=(0,h,),
易得平面ABC的一个法向量m=(0,0,1),
设EF与平面ABC夹角为θ,
m·n=,|n|=,|m|=1,
所以cos〈m,n〉==,
由cos θ=,得sin θ=,
由(1)知∥n,
所以sin θ=|cos〈m,n〉|==,
解得h=,
S△ABC=×6×6×sin 60°=9,
S△A′B′C′=×4×4sin 60°=4,
所以三棱台的体积V=×(9+4+)×=19.
3.(2026·福建优质高中质检)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,CC1⊥平面ABC,且D,E,F,G分别为AA1,AC,A1C1,BB1的中点,AB=BC=,AC=AA1=2.
可得=(-2,1,0),=(0,-2,1),
设平面BCD的法向量为n=(x,y,z),
则
所以BE⊥平面ACC1A1,即BE⊥平面CDC1,
所以=(2,0,0)为平面CDC1的一个法向量,
设平面BCD与平面CDC1的夹角为θ,
则cos θ=|cos〈n,〉|===,
所以平面BCD与平面CDC1夹角的余弦值为.
(3)因为G为BB1的中点,可得G(2,0,1),
所以=(0,0,-1),
由(2)知,平面BCD的法向量为n=(1,2,4),
设点G到平面BCD的距离为d,
则d===.
由题可知OA,OB,OA1两两垂直,以O为坐标原点,,,分别为x轴、y轴、z轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系.
设AC=AB=4,
∴A1(0,0,2),A(2,0,0),B(0,2,0),C(0,-2,0).
∵=,
∴C1(-2,-2,2),B1(-2,2,2),
∴D(-,2,),
∴=(-3,2,),=(-4,-2,2).
设平面AC1D的一个法向量为n=(x,y,z),
∴
∴令y=,
∴n=(3,,7).
∵A1O⊥平面ABC,
∴取平面ABC的法向量m=(0,0,1),
记平面AC1D与平面ABC的夹角为α,
则cos α=|cos〈m,n〉|===,
∴平面AC1D与平面ABC夹角的余弦值为.
(1)若F为棱PB的中点,证明:CF∥平面PDE;
(2)若PB=3,直线EF与平面BCDE所成角的正弦值为.
(ⅰ)求;
(ⅱ)求点F到平面PCD的距离.
(2)(ⅰ)因为PE=AE=BE=3,PB=3,
所以E(0,0,0),P(0,0,3),B(0,3,0),D(,0,0),
则=(0,-3,3),
设=λ(0<λ<1),
则F(0,3-3λ,3λ),=(0,3-3λ,3λ).
因为PE⊥平面BCDE,
所以平面BCDE的一个法向量为n=(0,0,1),
设直线EF与平面BCDE所成的角为θ,
所以sin θ=|cos〈,n〉|==,
整理得3λ2+2λ-1=0,解得λ=(λ=-1舍),
所以=.
(ⅱ)由(ⅰ)知=(,0,-3),=,=(-,2,1).
设平面PCD的法向量为m=(x,y,z),
则即
令x=,得y=-1,z=1,
则m=(,-1,1),
所以点F到平面PCD的距离为
d===.
6.(2026·河北承德、秦皇岛部分学校期中联考)如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,AD∥BC,AB⊥AD,PA=2,AB=2,BC=2,AD=4,M是PD的中点.
(1)证明:CM∥平面PAB;
(2)求平面PAB与平面PCD所成角的正切值;
(3)在线段BD上是否存在点Q,使得点D到平
面PAQ的距离为?若存在,求出的值;若
不存在,请说明理由.
因为M是PD的中点,所以ME∥AD,ME=AD.
又因为BC∥AD且BC=AD,
所以ME∥BC,ME=BC,
所以四边形BCME是平行四边形,所以CM∥BE.
因为CM⊄平面PAB,BE⊂平面PAB,所以CM∥平面PAB.
又因为PA=2,AB=2,
BC=2,AD=4,
所以P(0,0,2),B(2,0,0),D(0,4,0),C(2,2,0).
因为=(2,2,-2),=(0,4,-2),
所以
令y=1,则n2=.
设平面PAB与平面PCD所成角为θ,
所以cos θ=|cos〈n1,n2〉|===,
sin θ===,
tan θ==.
所以平面PAB与平面PCD所成角的正切值为.
(3)设=λ且0≤λ≤1,=(2,0,0),
=(-2,4,0),则=λ,
=+λ=(2-2λ,4λ,0),
=(0,0,2).
设平面PAQ的法向量为n3=(x0,y0,z0),
则
令y0=1,所以n3=.
又因为点D到平面PAQ的距离为,
=(0,4,-2),
所以==,
即λ2=(1-λ)2,解得λ=.
所以存在点Q,使得点D到平面PAQ的距离为,此时=.
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