内容正文:
1.2.3 课后达标检测
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A
1.若直线l的方向向量与平面α的法向量的夹角等于130°,则直线l与平面α所成的角为( )
A.40° B.50°
C.130° D.170°
解析:因为直线l的方向向量与平面α的法向量的夹角等于130°,所以直线l与平面α所成的角等于130°-90°=40°.
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4.已知AB⊥平面α于点B,BC为AC在α内的射影,CD在α内,若∠ACD=60°,∠BCD=45°,则AC和平面α所成的角为( )
A.90° B.60°
C.45° D.30°
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7.(2026·德州期中)已知平面α的一个法向量为a=(x,1,2-x),直线l的一个方向向量为b=(0,11,0),则直线l与平面α所成角的正弦值的最大值为________.
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8.已知三棱锥O-ABC中,OA,OB,OC两两垂直,OA=OC=2,OB=1,则直线OB与平面ABC所成角的正弦值为________.
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10.(13分)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,AD=PD=2CD=2,PB=3,点E为棱PC上的点,且BC⊥DE.若PE=2CE,求直线DE与平面PBC所成角的正弦值.
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证明:由于E为棱AB的中点,AB∥CD,所以AE=CD,AE∥CD,所以四边形AECD是平行四边形,所以AD∥CE,由于AD⊄平面PEC,CE⊂平面PEC,
所以AD∥平面PEC.
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(2)若∠PBA=60°,求直线PA与平面PCE所成角的正弦值.(9分)
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15.在空间直角坐标系Oxyz中,过点P(x0,y0,z0)且一个法向量为n=(a,b,c)的平面α的方程为a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)=0.已知平面α的方程为x-2y+z-7=0,直线l是两平面x+y+2=0与y-z+2=0的交线,则直线l
与平面α所成角的正弦值为__________.
解析:由题可知平面x-2y+z-7=0的一个法向量n1=(1,-2,1),平面x+y+2=0的一个法向量n2=(1,1,0),平面y-z+2=0的一个法向量n3=(0,1,-1).
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2.设平面α的一个法向量为n=(a,0,1),直线l的一个方向向量为d=(3,-4,0),若直线l与平面α所成的角为 eq \f(π,6) ,则正数a=( )
A.- eq \f(\r(11),5)
B. eq \f(\r(11),5)
C.- eq \f(5\r(11),11)
D. eq \f(5\r(11),11)
解析:依题意可得|cos 〈n,d〉|= eq \f(|3a|,5\r(a2+1)) =sin eq \f(π,6) = eq \f(1,2) ,解得a= eq \f(5\r(11),11) 或a=- eq \f(5\r(11),11) (舍去).故选D.
3.埃及胡夫金字塔是古代世界建筑奇迹之一,其形状可视为一个正四棱锥,已知该金字塔的塔高与底面边长的比满足黄金比例,即比值约为 eq \f(\r(5)-1,2) ,则它的侧棱与底面所成角的正切值约为( )
A. eq \f(\r(10)-\r(2),2)
B. eq \f(\r(5)-1,2)
C. eq \f(\r(5)+1,2)
D. eq \f(\r(10)+\r(2),2)
解析:作出正四棱锥E-ABCD如图所示, 设底面边长为a,则塔高EF= eq \f(\r(5)-1,2) a,
AF= eq \f(1,2) AC= eq \f(\r(2),2) a,
所以侧棱与底面所成的角∠EAF的正切值为 eq \f(EF,AF) = eq \f(\f(\r(5)-1,2)a,\f(\r(2),2)a) = eq \f(\r(10)-\r(2),2) .故选A.
解析:设AC和平面α所成的角为θ,则cos 60°=cos θcos 45°,故cos θ= eq \f(\r(2),2) ,又0°≤θ≤90°,所以θ=45°.
5.在三棱锥O-ABC中,OA,OB,OC两两垂直,OA=3,OB=4,OC=5,D是AB的中点,E为OC的中点,则DE与平面OAB所成的角为( )
A. eq \f(π,2)
B. eq \f(π,3)
C. eq \f(π,4)
D. eq \f(π,6)
解析:因为OA,OB,OC两两垂直,所以以 eq \o(OA,\s\up16(→)) , eq \o(OB,\s\up16(→)) , eq \o(OC,\s\up16(→)) 的方向分别为x,y,z轴正方向建立空间直角坐标系如图,所以O(0,0,0),A(3,0,0),B(0,4,0),C(0,0,5),D( eq \f(3,2) ,2,0),E(0,0, eq \f(5,2) ), eq \o(DE,\s\up16(→)) =(- eq \f(3,2) ,-2, eq \f(5,2) ),因为OC⊥平面OAB,所以 eq \o(OC,\s\up16(→)) =(0,0,5)为平面OAB的一个法向量,
设DE与平面OAB所成的角为θ,所以sin θ=|cos 〈 eq \o(DE,\s\up16(→)) , eq \o(OC,\s\up16(→)) 〉|= eq \f(|\o(DE,\s\up16(→))·\o(OC,\s\up16(→))|,|\o(DE,\s\up16(→))||\o(OC,\s\up16(→))|) = eq \f(\f(25,2),\r(\f(9,4)+4+\f(25,4))×5) = eq \f(\r(2),2) ,因为θ∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))) ,所以θ= eq \f(π,4) .故选C.
6.(多选)(2026·济南月考)在三棱锥P-ABC中,P(1,1,0),A(2,0,1),B(0,2,1),C(0,0,0),则( )
A. eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(PB,\s\up16(→)))) = eq \r(3)
B.向量 eq \o(CA,\s\up16(→)) 与 eq \o(CB,\s\up16(→)) 夹角的余弦值为 eq \f(2,5)
C.向量n=(1,1,-2)是平面ABC的一个法向量
D.PB与平面ABC所成角的正弦值为 eq \f(\r(2),3)
解析:因为P(1,1,0),B(0,2,1),所以| eq \o(PB,\s\up16(→)) |= eq \r((1-0)2+(1-2)2+(0-1)2) = eq \r(3) ,故A正确;
因为A(2,0,1),B(0,2,1),C(0,0,0),
所以 eq \o(CA,\s\up16(→)) =(2,0,1), eq \o(CB,\s\up16(→)) =(0,2,1),
所以cos 〈 eq \o(CA,\s\up16(→)) , eq \o(CB,\s\up16(→)) 〉= eq \f(\o(CA,\s\up16(→))·\o(CB,\s\up16(→)),|\o(CA,\s\up16(→))||\o(CB,\s\up16(→))|) = eq \f(1,\r(5)×\r(5)) = eq \f(1,5) ,故B错误;
n=(1,1,-2),因为 eq \o(CA,\s\up16(→)) ·n=2×1+0×1+1×(-2)=0,
eq \o(CB,\s\up16(→)) ·n=0×1+2×1+1×(-2)=0,
所以n=(1,1,-2)是平面ABC的一个法向量,故C正确;
因为 eq \o(PB,\s\up16(→)) =(-1,1,1),
所以PB与平面ABC所成角的正弦值为
eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈\o(PB,\s\up16(→)),n〉)) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(PB,\s\up16(→))·n)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(PB,\s\up16(→))))\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(n))) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(-1+1-2)),\r(3)×\r(6)) = eq \f(\r(2),3) ,故D正确.
eq \f(\r(3),3)
解析:设直线l与平面α所成的角为θ,
则sin θ= eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈a,b〉)) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a·b)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a))\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(b))) =
eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(11)),\r(x2+1+4-4x+x2)×11) = eq \f(1,\r(2x2-4x+5)) =
eq \f(1,\r(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-1))2+3)) ,
当x=1时,sin θ取得最大值,最大值为 eq \f(\r(3),3) .
解析:因为OA,OB,OC两两垂直,以O为原点, eq \o(OB,\s\up16(→)) , eq \o(OC,\s\up16(→)) , eq \o(OA,\s\up16(→)) 的方向为x轴、y轴、z轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系,易得O(0,0,0),A(0,0,2),B(1,0,0),C(0,2,0),则 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(1,0,-2), eq \o(AC,\s\up16(→)) =(0,2,-2), eq \o(OB,\s\up16(→)) =(1,0,0),设m=(x,y,z)
是平面ABC的法向量,
eq \f(\r(6),3)
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(AB,\s\up16(→))·m=x-2z=0,,\o(AC,\s\up16(→))·m=2y-2z=0,))
令y=1,则m=(2,1,1),
所以|cos 〈 eq \o(OB,\s\up16(→)) ,m〉|= eq \f(|\o(OB,\s\up16(→))·m|,|\o(OB,\s\up16(→))||m|) = eq \f(2,1×\r(6)) = eq \f(\r(6),3) ,
故直线OB与平面ABC所成角的正弦值为 eq \f(\r(6),3) .
9.已知平面α的一个法向量为n=(1,1,0),则向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(0,1,1)在平面α内的投影向量的长度为________.
eq \f(\r(6),2)
解析:因为平面α的一个法向量为n=(1,1,0),向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(0,1,1),所以 cos 〈n, eq \o(AB,\s\up16(→)) 〉= eq \f(n·\o(AB,\s\up16(→)),|n||\o(AB,\s\up16(→))|) = eq \f(1,2) ,设直线AB与平面α所成的角为θ,所以sin θ=|cos 〈n, eq \o(AB,\s\up16(→)) 〉|= eq \f(1,2) ,因为0≤θ≤ eq \f(π,2) ,所以θ= eq \f(π,6) .
所以向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(0,1,1)在平面α内的投影向量的长度为| eq \o(AB,\s\up16(→)) |·cos θ= eq \r(2) × eq \f(\r(3),2) = eq \f(\r(6),2) .
解:由底面ABCD为矩形可知,BC⊥CD,又因为BC⊥DE,DE∩CD=D,CD,DE⊂平面PCD,所以BC⊥平面PCD,可知BC⊥PC,BC=AD=2,PB=3,所以PC= eq \r(5) ,在△PCD中,PC2=PD2+CD2,所以PD⊥CD.因为AD∥BC,所以AD⊥平面PCD,因为PD⊂平面PCD,所以PD⊥AD,又CD∩AD=D,CD,AD⊂平面ABCD,所以PD⊥平面ABCD,故以点C为原点,以CD,CB所在直线分别为x轴、y轴,过点C且平行于PD的直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz.
则C(0,0,0),B(0,2,0),D(1,0,0),P(1,0,2),又在△PCD中, eq \f(PE,CE) =2,则E( eq \f(1,3) ,0, eq \f(2,3) ), eq \o(DE,\s\up16(→)) =(- eq \f(2,3) ,0, eq \f(2,3) ), eq \o(CP,\s\up16(→)) =(1,0,2), eq \o(CB,\s\up16(→)) =(0,2,0).
设平面PBC的法向量为n=(x,y,z),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(CB,\s\up16(→))·n=0,,\o(CP,\s\up16(→))·n=0,)) 即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2y=0,,x+2z=0,))
令z=1,得n=(-2,0,1),设直线DE与平面PBC所成的角为θ,则sin θ=|cos 〈 eq \o(DE,\s\up16(→)) ,n〉|= eq \f(\f(4,3)+\f(2,3),\f(2,3)\r(2)×\r(5)) = eq \f(3\r(10),10) .
故直线DE与平面PBC所成角的正弦值为 eq \f(3\r(10),10) .
11.已知三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱与底面垂直,AA1=AB=AC=1,AB⊥AC,N是BC的中点,点P在棱A1B1上(包括端点),且满足 eq \o(A1P,\s\up16(→)) =λ eq \o(A1B1,\s\up16(→)) ,则当直线PN与平面ABC所成的角最大时的正弦值为( )
A. eq \f(1,2)
B. eq \f(\r(2),2)
C. eq \f(\r(3),2)
D. eq \f(2\r(5),5)
解析:如图,以A为原点AB,AC,AA1所在直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系Axyz,
则P(λ,0,1),0≤λ≤1,B(1,0,0),C(0,1,0),
N eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),\f(1,2),0)) ,
eq \o(PN,\s\up16(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)-λ,\f(1,2),-1)) ,
平面ABC的一个法向量为n=(0,0,1),
设直线PN与平面ABC所成的角为θ,
所以sin θ= eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(PN,\s\up16(→))·n)),\a\vs4\al(|\o(PN,\s\up16(→))||n|)) = eq \f(1,\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(λ-\f(1,2)))\s\up12(2)+\f(5,4))) ,
当λ= eq \f(1,2) 时,(sin θ)max= eq \f(2\r(5),5) ,此时角θ最大.故选D.
12.已知长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=2,AA1=3,E为侧棱BB1上的一点,且 eq \f(B1E,B1B) = eq \f(1,3) ,则直线AE与平面A1ED1所成角的余弦值为________.
eq \f(\r(10),10)
解析:以D为原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,如图,则A1(2,0,3),E(2,2,2),D1(0,0,3),A(2,0,0),所以 eq \o(A1E,\s\up16(→)) =(0,2,-1), eq \o(D1E,\s\up16(→)) =(2,2,-1), eq \o(EA,\s\up16(→)) =(0,-2,-2).
设平面A1ED1的一个法向量为n=(x,y,z),则 \o(A1E,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(·n=0,, eq \o(D1E,\s\up16(→)) ·n=0,))
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2y-z=0,,2x+2y-z=0,))
取z=2,则n=(0,1,2),
设直线AE与平面A1ED1所成的角为θ,则sin θ=|cos 〈n, eq \o(EA,\s\up16(→)) 〉|= eq \f(|n·\o(EA,\s\up16(→))|,|n||\o(EA,\s\up16(→))|) = eq \f(|-2-4|,\r(5)×\r(8)) = eq \f(3\r(10),10) ,
所以cos θ= eq \r(1-sin2θ) = eq \f(\r(10),10) .
13.(15分)如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,AB∥CD,∠ABC=90°,BC=CD= eq \f(1,2) AB=2,E为棱AB的中点.
(1)证明:AD∥平面PEC;(6分)
解:依题意可知PA⊥平面ABCD,AB⊂平面ABCD,所以PA⊥AB,
∠PBA=60°,所以PA=4×tan60°=4 eq \r(3) .又∠ABC=90°,
故以B为原点,BC,BA所在直线分别为x轴、y轴,过点B作平行于PA的直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(0,4,0),P(0,4,4 eq \r(3) ), eq \o(AP,\s\up16(→)) =(0,0,4 eq \r(3) ),
C(2,0,0),E(0,2,0), eq \o(CE,\s\up16(→)) =(-2,2,0), eq \o(PE,\s\up16(→)) =(0,-2,-4 eq \r(3) ),
设平面PCE的法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n·\o(CE,\s\up16(→))=-2x+2y=0,,n·\o(PE,\s\up16(→))=-2y-4\r(3)z=0,))
令z=1,则n=(-2 eq \r(3) ,-2 eq \r(3) ,1),
设直线PA与平面PCE所成的角为θ,
所以sin θ= eq \f(|n·\o(AP,\s\up16(→))|,|n||\o(AP,\s\up16(→))|) = eq \f(4\r(3),5×4\r(3)) = eq \f(1,5) .
14.(15分)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为直角梯形,其中AD∥BC,AD⊥BA,AD=3,AB=BC=2,PA⊥平面ABCD,且PA=3,点M在棱PD上(不包括端点),点N为BC中点. 是否存在点M,使NM与平面PCD所成角的正弦值为 eq \f(\r(2),6) ?若存在,求出 eq \f(PM,PD) 的值;若不存在,请说明理由.
解:如图以A为原点,AB,AD,AP所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,则B(2,0,0),C(2,2,0),D(0,3,0),P(0,0,3),N(2,1,0),假设存在M,设 eq \f(PM,PD) =λ,则 eq \o(PM,\s\up16(→)) =λ eq \o(PD,\s\up16(→)) ,其中λ∈(0,1),设平面PCD的法向量为n=(x,y,z),由 eq \o(PC,\s\up16(→)) =(2,2,-3), eq \o(PD,\s\up16(→)) =(0,3,
-3)可得 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(PC,\s\up16(→))·n=0,,\o(PD,\s\up16(→))·n=0,)) 即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2x+2y-3z=0,,3y-3z=0,))
令z=2,则y=2,x=1,即n=(1,2,2). eq \o(PM,\s\up16(→)) =λ eq \o(PD,\s\up16(→)) =(0,3λ,-3λ),则M(0,3λ,3-3λ), eq \o(MN,\s\up16(→)) =(2,1-3λ,3λ-3),设MN与平面PCD所成的角为θ,则sin θ=|cos 〈n, eq \o(MN,\s\up16(→)) 〉|= eq \f(|n·\o(MN,\s\up16(→))|,|n||\o(MN,\s\up16(→))|) = eq \f(2,3\r(18λ2-24λ+14)) = eq \f(\r(2),6) ,解得λ=1或λ= eq \f(1,3) ,因为λ∈(0,1),所以λ= eq \f(1,3) ,故存在点M满足题意,此时 eq \f(PM,PD) = eq \f(1,3) .
eq \f(\r(2),3)
设直线l的方向向量为l=(x,y,z),
因为直线l是两平面x+y+2=0与y-z+2=0的交线,则有l⊥n2,l⊥n3,
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(l·n2=x+y=0,,l·n3=y-z=0,))) 取x=1,则l=(1,-1,-1),设直线l与平面α所成的角为θ,
所以sin θ= eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈l,n1〉)) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(l·n1)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(l))\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(n1))) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(1+2-1)),\r(3)×\r(6)) = eq \f(\r(2),3) ,故直线l与平面α所成角的正弦值为 eq \f(\r(2),3) .
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