内容正文:
1.2.4 课后达标检测
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D
1.已知平面α的法向量n1=(1,0,0),平面β的法向量 n2=(0,1,0),则平面α与β的夹角为( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
解析:因为n1·n2=1×0+0×1+0×0=0,所以n1⊥n2,故α⊥β,所以平面α与平面β的夹角为90°.
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3.如图,三棱台ABC-A1B1C1的下底面是正三角形,AB⊥BB1,B1C1⊥BB1,则二面角A-BB1-C的大小是( )
A.30°
B.45°
C.60°
D.90°
解析:在三棱台ABC-A1B1C1中,B1C1∥BC,且B1C1⊥BB1,则BC⊥BB1,又AB⊥BB1,且AB∩BC=B,所以B1B⊥平面ABC,所以∠ABC为二面角A-BB1-C的平面角,因为△ABC为正三角形,所以∠ABC=60°.故选C.
C
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4.如图,四边形ABCD是边长为1的正方形,AE⊥平面ABCD,若AE=1,则平面ADE与平面BCE所成的角为( )
A.45° B.60°
C.120° D.150°
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7.在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,AD=AA1=1,则二面角C1-AB-C的大小为________.
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8.在60°的二面角的一个面内有一个点,若它到另一个面的距离是10 cm,
则该点到二面角的棱的距离是______________.
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10.(13分)如图,在四棱锥P-ABCD中,BC∥AD,AB=BC=1,AD=3,点E在AD上,且PE⊥AD,PE=DE=2.
(1)若F为线段PE的中点,求证:BF∥平面PCD;(5分)
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又BC=1,AD∥BC,
所以FG=BC,FG∥BC,
所以四边形FGCB为平行四边形,
所以BF∥CG,
又BF⊄平面PCD,CG⊂平面PCD,
所以BF∥平面PCD.
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(2)若AB⊥平面PAD,求平面PAB与平面PCD所成角的余弦值.(8分)
解:因为AB⊥平面PAD,PE⊂平面PAD,
所以AB⊥PE,
又PE⊥AD,AB∩AD=A,AB,AD⊂平面ABCD,
所以PE⊥平面ABCD.
连接EC,易知四边形ABCE为矩形,故直线EC,ED,EP两两垂直,故以E为坐标原点,EC,ED,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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11.已知正四面体ABCD中异面直线AB与CD所成的角为α,侧棱AB与底面BCD所成的角为β,侧面ABC与底面BCD所成的锐二面角为γ,则( )
A.α>γ>β B.α>β>γ
C.β>α>γ D.γ>α>β
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解析:过A作A在底面BCD的射影O,因为ABCD是正四面体,所以O是底面BCD的中心,取BC的中点E,连接OB,OE,AE,如图所示,在正四面体A-BCD中,AO⊥平面BCD,CD⊂平面BCD,所以AO⊥CD,又BO⊥CD,AO,BO⊂平面ABO,AO∩BO=O,则CD⊥平面ABO,因为AB⊂平面ABO,所以AB⊥CD,即异面直线AB与CD所成的角为α=90°.侧棱AB在底面BCD内的射影为OB,则∠ABO是侧棱AB与底面BCD
所成的角,即β=∠ABO.因为AE⊥BC,OE⊥BC,侧面
ABC与底面BCD所成的角为∠AEO,所以γ=∠AEO.
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因为n=(1,1,0)与m=(1,1,1)不平行,所以n=(1,1,0)不是平面ACD1的一个法向量,故D错误.故选BC.
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14.(15分)(2026·潍坊期末)如图,在三棱台ABC-A1B1C1中,AA1⊥底面ABC,A1B1=2,AB=AC=4,D为BC的中点,AC⊥C1D.
(1)证明:AC⊥AB;(7分)
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证明:在三棱台ABC-A1B1C1中,
因为A1B1=2,AB=AC=4,所以A1C1=2,BC=2B1C1,BC∥B1C1.
因为D为BC的中点,所以B1C1=BD,又B1C1∥BD,
所以四边形BDC1B1为平行四边形,故BB1∥C1D.
因为AC⊥C1D,所以AC⊥BB1.
因为AA1⊥底面ABC,AC⊂底面ABC,所以AA1⊥AC.
因为AA1,BB1⊂平面ABB1A1,AA1,BB1为相交直线,所以AC⊥平面ABB1A1,
因为AB⊂平面ABB1A1,所以AC⊥AB.
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15.(15分)(2026·德州月考)如图,在圆柱O1O2中,AB是底面圆O2上的一条直径,P,Q分别是底面O2,O1圆周上的一点,PQ∥O1O2,AB=2PQ,且点P不与A,B两点重合.
(1)证明:平面APQ⊥平面BPQ;(6分)
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证明:因为AB是底面圆O2上的一条直径,
所以AP⊥BP,
因为O1O2⊥底面圆O2,PQ∥O1O2,
所以PQ⊥底面圆O2,
因为BP⊂底面圆O2,所以PQ⊥BP,
因为AP∩PQ=P,AP,PQ⊂平面APQ,
所以BP⊥平面APQ,
因为BP⊂平面BPQ,所以平面APQ⊥平面BPQ.
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(2)若二面角A-O1O2-P的大小为60°,求直线BQ与平面PQO1所成角的正弦值.(9分)
解:因为O1O2⊥底面圆O2,AO2,PO2⊂底面圆O2,
所以O1O2⊥PO2,O1O2⊥AO2,又平面AO1O2∩平面PO1O2=O1O2,
所以∠AO2P为二面角A-O1O2-P的平面角,
故∠AO2P=60°,又AO2=PO2,
所以△APO2为等边三角形,
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2.在边长为a的正三角形ABC中,AD⊥BC于点D,将△ABD沿AD翻折后,BC= eq \f(1,2) a,此时二面角B-AD-C的大小为( )
A.30°
B.45°
C.60°
D.90°
解析:分析知∠BDC就是二面角B-AD-C的平面角.因为在△BCD中,BC=BD=CD= eq \f(1,2) a,所以△BCD为正三角形,所以∠BDC=60°.
解析:因为AE⊥平面ABCD,且四边形ABCD为正方形,如图建立空间直角坐标系,则B(1,0,0),C(1,1,0),E(0,0,1),所以 eq \o(BC,\s\up16(→)) =(0,1,0), eq \o(BE,\s\up16(→)) =(-1,0,1),
设平面BCE的法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n·\o(BC,\s\up16(→))=y=0,,n·\o(BE,\s\up16(→))=-x+z=0,))
令x=1,则n=(1,0,1),
又平面ADE的一个法向量为m=(1,0,0),
设平面ADE与平面BCE所成的角为θ,则cos θ= eq \f(|m·n|,|m||n|) = eq \f(\r(2),2) ,又0°≤θ≤90°,所以θ=45°.故选A.
5.如图,四棱锥S-ABCD的底面是正方形,每条侧棱的长都是底面边长的 eq \r(2) 倍,SD⊥平面PAC,P为侧棱SD上的点,则二面角P-AC-B的余弦值为( )
A. eq \f(\r(3),2)
B.- eq \f(\r(3),2)
C.- eq \f(\r(2),2)
D.- eq \f(1,2)
解析:连接BD,交AC于点O,连接SO,则SO⊥平面ABCD,以O为坐标原点, eq \o(OB,\s\up16(→)) , eq \o(OC,\s\up16(→)) , eq \o(OS,\s\up16(→)) 的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,设底面边长为a,则SO= eq \f(\r(6),2) a,S(0,0, eq \f(\r(6),2) a),D(- eq \f(\r(2),2) a,0,0), eq \o(SD,\s\up16(→)) =(- eq \f(\r(2),2) a,0,- eq \f(\r(6),2) a),
显然n=(0,0,1)是平面ABC的一个法向量,
因为SD⊥平面PAC,所以 eq \o(SD,\s\up16(→)) =(- eq \f(\r(2),2) a,0,- eq \f(\r(6),2) a)是平面PAC的一个法向量,
设二面角P-AC-B的平面角为θ,由图易知θ为钝角,所以cos θ=-|cos 〈n, eq \o(SD,\s\up16(→)) 〉|=- eq \f(|n·\o(SD,\s\up16(→))|,|n||\o(SD,\s\up16(→))|) = eq \f(-\f(\r(6),2)a,1×\r((\f(\r(2),2)a)2+(\f(\r(6),2)a)2)) =- eq \f(\r(3),2) .
6.(多选)如图,点A,B,C分别在空间直角坐标系Oxyz的三条坐标轴上,已知CM⊥AB,ON⊥AB,垂足M,N为两个不同的点,且〈 eq \o(MC,\s\up16(→)) , eq \o(ON,\s\up16(→)) 〉= eq \f(2π,3) ,设直线MC与ON所成的角为α,二面角C-AB-O的大小为β,则( )
A.α= eq \f(π,6)
B.α= eq \f(π,3)
C.β= eq \f(π,3)
D.β= eq \f(2π,3)
解析:由题意可知,〈 eq \o(MC,\s\up16(→)) , eq \o(ON,\s\up16(→)) 〉= eq \f(2π,3) ,
因为α∈[0, eq \f(π,2) ],所以α=π- eq \f(2π,3) = eq \f(π,3) .
因为β∈[0,π],且由题图可知二面角C-AB-O为锐二面角,所以β= eq \f(π,3) .
解析:由图可知C1B⊥AB,CB⊥AB,所以∠C1BC是二面角C1-AB-C的平面角,tan ∠C1BC= eq \f(C1C,BC) =1,所以∠C1BC= eq \f(π,4) .
eq \f(π,4)
eq \f(20\r(3),3) cm
解析:如图所示,平面α,β相交于l,PA⊥l,PA⊂平面α,MA⊥l,MA⊂平面β,PM⊥平面β ,PM=10 cm.则∠PAM为二面角α-l-β的平面角,且∠PAM=60°,
所以sin ∠PAM= eq \f(10,AP) = eq \f(\r(3),2) ,
所以AP= eq \f(20\r(3),3) cm.
即点P到二面角的棱l的距离为 eq \f(20\r(3),3) cm.
9.已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,点P在棱AA1上,PC= eq \f(\r(19),3) ,则平面ABCD与平面BPC1所成角的余弦值为________.
eq \f(3\r(19),19)
解析:连接AC,由题可得AC= eq \r(2) ,由正方体性质易得PA⊥AC,所以AP= eq \r(PC2-AC2) = eq \f(1,3) ,以D为原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则P eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,0,\f(1,3))) ,B(1,1,0),
C1(0,1,1),所以 eq \o(PB,\s\up16(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,1,-\f(1,3))) , eq \o(BC1,\s\up16(→)) =(-1,0,1),设平面BPC1的法向量为n=(x,y,z),则 \o(BC1,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n·\o(PB,\s\up16(→))=0,,n·=0,))
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(y-\f(z,3)=0,,-x+z=0,))
取y=1,则n=(3,1,3),取平面ABCD的一个法向量为n1=(0,0,1),设平面ABCD与平面BPC1所成的角为θ,则cos θ=|cos 〈n,n1〉|= eq \f(|n·n1|,|n||n1|) = eq \f(3\r(19),19) .
解:取PD的中点G,连接FG,CG(图略),
因为F为PE的中点,
所以FG= eq \f(1,2) DE=1,FG∥DE,
则P(0,0,2),C(1,0,0),D(0,2,0),A(0,-1,0),B(1,-1,0),则 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(1,0,0), eq \o(AP,\s\up16(→)) =(0,1,2), eq \o(PC,\s\up16(→)) =(1,0,-2), eq \o(PD,\s\up16(→)) =(0,2,-2).
设平面PAB的法向量为n1=(x1,y1,z1),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n1·\o(AB,\s\up16(→))=x1=0,,n1·\o(AP,\s\up16(→))=y1+2z1=0,))
可取n1=(0,-2,1).
设平面PCD的法向量为n2=(x2,y2,z2),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n2·\o(PC,\s\up16(→))=x2-2z2=0,,n2·\o(PD,\s\up16(→))=2y2-2z2=0,))
可取n2=(2,1,1).
设平面PAB与平面PCD所成的角为θ,
则cos θ=|cos 〈n1,n2〉|= eq \f(|n1·n2|,|n1||n2|) = eq \f(\r(30),30) .
所以平面PAB与平面PCD所成角的余弦值为 eq \f(\r(30),30) .
则sin β=sin ∠ABO= eq \f(AO,AB) ,
sin γ=sin ∠AEO= eq \f(AO,AE) ,
因为AB>AE,
所以 eq \f(AO,AB) < eq \f(AO,AE) ,
即sin β<sin γ,
则β<γ<90°,
即β<γ<α.故选A.
12.(多选)如图,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,下列说法中正确的是( )
A.AC与BD1所成角的大小为60°
B.二面角D-AC-D1的平面角的正切值为 eq \r(2)
C.AB1与平面ACD1所成角的正切值为 eq \r(2)
D.n=(1,1,0)是平面ACD1的一个法向量
解析:如图建立空间直角坐标系,
则A(1,0,0),C(0,1,0),B(1,1,0),D1(0,0,1),B1(1,1,1),
所以 eq \o(AC,\s\up16(→)) =(-1,1,0), eq \o(BD1,\s\up16(→)) =(-1,-1,1), eq \o(AC,\s\up16(→)) · eq \o(BD1,\s\up16(→)) =0,
即 eq \o(AC,\s\up16(→)) ⊥ eq \o(BD1,\s\up16(→)) ,AC与BD1所成角的大小为90°,故A错误;
设平面ACD1的一个法向量为m=(x,y,z), eq \o(AC,\s\up16(→)) =(-1,1,0), eq \o(AD1,\s\up16(→)) =
(-1,0,1),所以 \o(AD1,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(m·\o(AC,\s\up16(→))=-x+y=0,,m·=-x+z=0,))
令x=1,则m=(1,1,1),
平面DAC的法向量可取t=(0,0,1),设二面角D-AC-D1的平面角为θ,
由图可得cos θ=|cos 〈m,t〉|= eq \f(1,\r(3)) ,所以sin θ= eq \f(\r(2),\r(3)) ,tan θ= eq \r(2) ,故B正确;
因为 eq \o(AB1,\s\up16(→)) =(0,1,1),设AB1与平面ACD1所成的角为α,则sin α= \o(AB1,\s\up16(→)) eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈,m〉))
= eq \f(2,\r(2)×\r(3)) = eq \f(\r(6),3) ,cos α= eq \f(\r(3),3) ,tan α= eq \r(2) ,故C正确;
13.如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AB,AC,AA1两两互相垂直,AB=AC=AA1, M,N 分别是侧棱BB1,CC1上的点,平面AMN与平面ABC所成的(锐)二面角为 eq \f(π,6) ,则当CN最小时,∠AMB=________.
eq \f(π,3)
解析:建立空间直角坐标系,如图所示,
设CN=b,BM=a,AB=AC=AA1=1,则N(0,1,b),M(1,0,a),A(0,0,0),B(1,0,0),
所以 eq \o(AM,\s\up16(→)) =(1,0,a),
eq \o(AN,\s\up16(→)) =(0,1,b),
设平面AMN的一个法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(AM,\s\up16(→))·n=0,,\o(AN,\s\up16(→))·n=0,)) 即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x+az=0,,y+bz=0,))
令z=1,则n=(-a,-b,1),
又平面ABC的一个法向量为m=(0,0,1),所以cos eq \f(π,6) = eq \f(|m·n|,|m||n|) = eq \f(1,\r(a2+b2+1)) = eq \f(\r(3),2) ,即3a2+3b2=1,
当CN最小时,b=0,BM=a= eq \f(\r(3),3) ,
所以tan ∠AMB= eq \f(AB,BM) = eq \r(3) ,
所以∠AMB= eq \f(π,3) .
(2)若AA1=2 eq \r(2) ,求平面BCC1B1与平面ADC1所成角的余弦值.(8分)
解:以A为坐标原点, eq \o(AB,\s\up16(→)) , eq \o(AC,\s\up16(→)) , eq \o(AA1,\s\up16(→)) 的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,则A(0,0,0),B(4,0,0),C(0,4,0),B1(2,0,2 eq \r(2) ),C1(0,2,2 eq \r(2) ),D(2,2,0),
所以 eq \o(BC,\s\up16(→)) =(-4,4,0), eq \o(BB1,\s\up16(→)) =(-2,0,2 eq \r(2) ), eq \o(AC1,\s\up16(→)) =(0,2,2 eq \r(2) ), eq \o(AD,\s\up16(→)) =(2,2,0).
设m=(x1,y1,z1)是平面BCC1B1的法向量,则 \o(BB1,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(\o(BC,\s\up16(→))·m=0,,·m=0,)))
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(-4x1+4y1=0,,-2x1+2\r(2)z1=0,)))
取m=( eq \r(2) , eq \r(2) ,1).
设n=(x2,y2,z2)是平面ADC1的法向量,则 \o(AC1,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(\o(AD,\s\up16(→))·n=0,,·n=0,)))
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(2x2+2y2=0,,2y2+2\r(2)z2=0,)))
取n=( eq \r(2) ,- eq \r(2) ,1).
所以 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈m,n〉)) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(m·n)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(m))\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(n))) = eq \f(1,5) ,
所以平面BCC1B1与平面ADC1所成角的余弦值为 eq \f(1,5) .
以P为坐标原点,PB,PA,PQ所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,
设AB=2,故AP=AO2=PO2=PQ=1,PB= eq \r(AB2-AP2) = eq \r(3) ,
则B( eq \r(3) ,0,0),Q(0,0,1),P(0,0,0),O1 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2),\f(1,2),1)) ,
eq \o(QB,\s\up16(→)) =( eq \r(3) ,0,-1), eq \o(PQ,\s\up16(→)) =(0,0,1), eq \o(PO1,\s\up16(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2),\f(1,2),1)) ,
设平面PQO1的法向量为m=(x,y,z),
则 \o(PO1,\s\up16(→)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(m·\o(PQ,\s\up16(→))=z=0,,m·=\f(\r(3),2)x+\f(1,2)y+z=0,)))
解得z=0,令x=1,得y=- eq \r(3) ,故m=(1,- eq \r(3) ,0),
设直线BQ与平面PQO1所成角的大小为θ,
则sin θ= eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(cos 〈\o(QB,\s\up16(→)),m〉)) =
eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(QB,\s\up16(→))·m)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(QB,\s\up16(→))))\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(m))) = eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1((\r(3),0,-1)·(1,-\r(3),0))),\r(3+0+1)×\r(1+3+0)) = eq \f(\r(3),4) ,
即直线BQ与平面PQO1所成角的正弦值为 eq \f(\r(3),4) .
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