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(高三数学第二轮复习教案)第6讲立体几何问题的题型与方法


高三数学第二轮复习教案 第6讲 立体几何问题的题型与方法 (4 课时)
一、考试内容:
平面及其基本性质,平面图形直观图的画法。w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 平行直线,对应边分别平行的角,异面直线所成的角,异面直线的公垂线,异面直线的 距离。 直线和平面平行的判定与性质,直线和平面垂直的判定与性质,点到平面的距离,斜线 在平面上的射影,直线和平面所成的角,三垂线定理及其逆定理。 平行平面的判定与性质,平行平面间的距离,二面角及其平面角,两个平面垂直的判定 与性质 多面体、棱柱、棱锥、正多面体、球。

二、考试要求
(1)掌握平面的基本性质,会用斜二测的画法画水平放置的平面图形的直观图,能够画 出空间两条直线、直线和平面的各种位置关系的图形,能够根据图形想象它们的位置关系。 (2)了解空两条直线的位置关系,掌握两条直线平行与垂直的判定定理和性质定理,掌 握两条直线所成的角和距离的概念 (对于异面直线的距离, 只要求会计算已给出公垂线时的 距离) 。 (3)了解空间直线和平面的位置关系,掌握直线和平面平行的判定定理和性质定理,理 解直线和平面垂直的判定定理和性质定理, 掌握斜线在平面上的射影、 直线和平面所成的角、 直线和平面的距离的概念,了解三垂线定理及其逆定理。 (4)了解平面与平面的位置关系,掌握两个平面平行的判定定理和性质定理。掌握二面 角、 二面角的平面角、 两个平面间的距离的概念, 掌握两个平面垂直的判定定理和性质定理。 (5)会用反证法证明简单的问题。 (6)了解多面体的概念,了解凸多面体的概念。 (7)了解棱柱的概念,掌握棱柱的性质,会画直棱柱的直观图。 (8)了解棱锥的概念,掌握正棱锥的性质,会画正棱锥的直观图。w.w.w.k.s.5.u.c.o.m (9)了解正多面体的概念,了解多面体的欧拉公式。 (10)了解球的概念,掌握球的性质,掌握球的表面积、体积公式。

三、复习目标
1.在掌握直线与平面的位置关系(包括直线与直线、直线与平面、平面与平面间的位置 关系)的基础上,研究有关平行和垂直的的判定依据(定义、公理和定理)、判定方法及有关性 质的应用;在有关问题的解决过程中,进一步了解和掌握相关公理、定理的内容和功能,并 探索立体几何中论证问题的规律; 在有关问题的分析与解决的过程中提高逻辑思维能力、 空 间想象能力及化归和转化的数学思想的应用. 2.在掌握空间角(两条异面直线所成的角,平面的斜线与平面所成的角及二面角)概念 的基础上,掌握它们的求法(其基本方法是分别作出这些角,并将它们置于某个三角形内通 过计算求出它们的大小);在解决有关空间角的问题的过程中,进一步巩固关于直线和平面 的平行垂直的性质与判定的应用,掌握作平行线(面)和垂直线(面)的技能;通过有关空间角 的问题的解决,进一步提高学生的空间想象能力、逻辑推理能力及运算能力. 3.通过复习,使学生更好地掌握多面体与旋转体的有关概念、性质,并能够灵活运用 到解题过程中. 通过教学使学生掌握基本的立体几何解题方法和常用解题技巧, 发掘不同问 题之间的内在联系,提高解题能力. 4.在学生解答问题的过程中,注意培养他们的语言表述能力和“说话要有根据”的逻 辑思维的习惯、提高思维品质.使学生掌握化归思想,特别是将立体几何问题转化为平面几 何问题的思想意识和方法,并提高空间想象能力、推理能力和计算能力. 5.使学生更好地理解多面体与旋转体的体积及其计算方法,能够熟练地使用分割与补 形求体积,提高空间想象能力、推理能力和计算能力.

1

四、双基透视
高考立体几何试题一般共有 4 道(选择、填空题 3 道, 解答题 1 道), 共计总分 27 分左 右,考查的知识点在 20 个以内. 选择填空题考核立几中的计算型问题, 而解答题着重考查 立几中的逻辑推理型问题, 当然, 二者均应以正确的空间想象为前提. 随着新的课程改革 的进一步实施,立体几何考题正朝着“多一点思考,少一点计算”的发展.从历年的考题变化 看, 以多面体和旋转体为载体的线面位置关系的论证,角与距离的探求是常考常新的热门话 题. 1.有关平行与垂直(线线、线面及面面)的问题,是在解决立体几何问题的过程中,大 量的、反复遇到的,而且是以各种各样的问题(包括论证、计算角、与距离等)中不可缺少的 内容,因此在主体几何的总复习中,首先应从解决“平行与垂直”的有关问题着手,通过较 为基本问题,熟悉公理、定理的内容和功能,通过对问题的分析与概括,掌握立体几何中解 决问题的规律——充分利用线线平行(垂直)、线面平行(垂直)、面面平行(垂直)相互转化的思 想,以提高逻辑思维能力和空间想象能力. 2. 判定两个平面平行的方法: (1)根据定义——证明两平面没有公共点; (2)判定定理——证明一个平面内的两条相交直线都平行于另一个平面; (3)证明两平面同垂直于一条直线。 3.两个平面平行的主要性质: ⑴由定义知: “两平行平面没有公共点” 。 ⑵由定义推得: “两个平面平行,其中一个平面内的直线必平行于另一个平面。 ⑶两个平面平行的性质定理: “如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那 么它们的交线平行” 。 ⑷一条直线垂直于两个平行平面中的一个平面,它也垂直于另一个平面。 ⑸夹在两个平行平面间的平行线段相等。 ⑹经过平面外一点只有一个平面和已知平面平行。 以上性质⑵、⑷、⑸、⑹在课文中虽未直接列为“性质定理” ,但在解题过程中均可直 接作为性质定理引用。 4.空间的角和距离是空间图形中最基本的数量关系,空间的角主要研究射影以及与射 影有关的定理、空间两直线所成的角、直线和平面所成的角、以及二面角和二面角的平面角 等.解这类问题的基本思路是把空间问题转化为平面问题去解决. 空间的角,是对由点、直线、平面所组成的空间图形中各种元素间的位置关系进行定 量分析的一个重要概念,由它们的定义,可得其取值范围,如两异面直线所成的角 θ∈(0,

? ? ?? ],直线与平面所成的角 θ∈ ? 0, ? ,二面角的大小,可用它们的平面角来 2 ? 2?

度量,其平面角 θ∈ (0,π ]. 对于空间角的计算, 总是通过一定的手段将其转化为一个平面内的角, 并把它置于一个 平面图形, 而且是一个三角形的内角来解决, 而这种转化就是利用直线与平面的平行与垂直 来实现的,因此求这些角的过程也是直线、平面的平行与垂直的重要应用.通过空间角的计 算和应用进一步培养运算能力、逻辑推理能力及空间想象能力. 如求异面直线所成的角常用平移法(转化为相交直线) ;求直线与平面所成的角常利用 射影转化为相交直线所成的角; 而求二面角?-l-?的平面角 (记作?) 通常有以下几种方法: (1) 根据定义; (2) 过棱 l 上任一点 O 作棱 l 的垂面?,设?∩?=OA,?∩?=OB,则∠AOB=?(图 1); (3) 利用三垂线定理或逆定理,过一个半平面?内一点 A,分别作另一个平面?的垂线 AB(垂足为 B),或棱 l 的垂线 AC(垂足为 C),连结 AC,则∠ACB=? 或∠ACB=?-?(图 2); (4) 设 A 为平面?外任一点,AB⊥?,垂足为 B,AC⊥?,垂足为 C,则∠BAC=?或∠BAC =?-?(图 3); (5) 利用面积射影定理,设平面?内的平面图形 F 的面积为 S,F 在平面?内的射影图形

2

的面积为 S?,则 cos?=

S' . S
A A β β B C

O A

β B

γ

A
B

A C β

B

C

图 1

β

B

C

图 2

图 3

5.空间的距离问题,主要是求空间两点之间、点到直线、点到平面、两条异面直线之间 (限于给出公垂线段的) 、平面和它的平行直线、以及两个平行平面之间的距离. 求距离的一般方法和步骤是: 一作——作出表示距离的线段; 二证——证明它就是所要 求的距离;三算——计算其值.此外,我们还常用体积法求点到平面的距离. 6.棱柱的概念和性质 ⑴理解并掌握棱柱的定义及相关概念是学好这部分知识的关键,要明确“棱柱 直棱 柱 正棱柱”这一系列中各类几何体的内在联系和区别。 ⑵平行六面体是棱柱中的一类重要的几何体,要理解并掌握“平行六面体 直平行六 面体 长方体 正四棱柱 正方体”这一系列中各类几何体的内在联系和区别。 ⑶须从棱柱的定义出发, 根据第一章的相关定理对棱柱的基本性质进行分析推导, 以求 更好地理解、掌握并能正确地运用这些性质。 ⑷关于平行六面体, 在掌握其所具有的棱柱的一般性质外, 还须掌握由其定义导出的一 些其特有的性质, 如长方体的对角线长定理是一个重要定理并能很好地掌握和应用。 还须注 意, 平行六面体具有一些与平面几何中的平行四边形相对应的性质, 恰当地运用平行四边形 的性质及解题思路去解平行六面体的问题是一常用的解题方法。 ⑸多面体与旋转体的问题离不开构成几何体的基本要素点、 面及其相互关系, 线、 因此, 很多问题实质上就是在研究点、线、面的位置关系,与《直线、平面、简单几何体》第一部 分的问题相比, 唯一的差别就是多了一些概念, 比如面积与体积的度量等. 从这个角度来看, 点、线、 面及其位置关系仍是我们研究的重点. 多面体与旋转体的体积问题是 《直线、 平面、 简单几何体》课程当中相对独立的课题.体积和面积、长度一样,都是度量问题.常用“分 割与补形” ,算出了这些几何体的体积. 7.欧拉公式:如果简单多面体的顶点数为 V,面数 F,棱数 E,那么 V+F-E=2. 计算棱数 E 常见方法: (1)E=V+F-2; (2)E=各面多边形边数和的一半; (3)E=顶点数与共顶点棱数积的一半。 8.经纬度及球面距离 ⑴根据经线和纬线的意义可知, 某地的经度是一个二面角的度数, 某地的纬度是一个线 ⌒ 面角的度数,设球 O 的地轴为 NS,圆 O 是 0°纬线,半圆 NAS 是 0°经线,若某地 P 是在 ⌒ 东经 120°,北纬 40°,我们可以作出过 P 的经线 NPS 交赤道于 B,过 P 的纬线圈圆 O1 交 ⌒ NAS 于 A,那么则应有:∠AO1P=120°(二面角的平面角) ,∠POB=40°(线面角) 。 ⌒ ⑵两点间的球面距离就是连结球面上两点的大圆的劣弧的长, 因此, 求两点间的球面距 离的关键就在于求出过这两点的球半径的夹角。 例如,可以循着如下的程序求 A、P 两点的球面距离。 线段 AP 的长 ∠AOP 的弧度数 9.球的表面积及体积公式 ⌒ 大圆劣弧 AP 的长

3

4 π R3 3 ⑴球的体积公式可以这样来考虑: 我们把球面分成若干个边是曲线的小 “曲边三角形” ; 以球心为顶点,以这些小曲边三角形的顶点为底面三角形的顶点,得到若干个小三棱锥,所 有这些小三棱锥的体积和可以看作是球体积的近似值.当小三棱锥的个数无限增加,且所有 这些小三棱锥的底面积无限变小时, 小三棱锥的体积和就变成球体积, 同时小三棱锥底面面 1 积的和就变成球面面积,小三棱锥高变成球半径.由于第 n 个小三棱锥的体积= Snhn(Sn 为 3 1 1 4 2 3 该小三棱锥的底面积,hn 为小三棱锥高) ,所以 V 球= S 球面·R= ·4π R ·R= π R . 3 3 3 ⑵在应用球体积公式时要注意公式中给出的是球半径 R, 而在实际问题中常给出球的外 径(直径). ⑶球与其它几何体的切接问题,要仔细观察、分析、弄清相关元素的位置关系和数量关 系,选择最佳角度作出截面,以使空间问题平面化。 10.主要题型: ⑴以棱柱、棱锥为载体,考查线面平行、垂直,夹角与距离等问题。 ⑵利用欧拉公式求解多面体顶点个数、面数、棱数。 ⑶求球的体积、表面积和球面距离。解题方法:求球面距离一般作出相应的大圆,转化 为平面图形求解。

S 球表=4π R2

V 球=

五、注意事项
1.须明确《直线、平面、简单几何体》中所述的两个平面是指两个不重合的平面。 2.与“直线与直线平行”“直线与平面平行”的概念一样“平面与平面平行”是 、 指“二平面没有公共点” 。由此可知,空间两个几何元素(点、直线、平面称为空间三个几 何元素)间“没有公共点”时,它们间的关系均称为“互相平行” 。要善于运用平面与平面 平行的定义所给定的两平面平行的最基本的判定方法和性质。 3.注意两个平行平面的画法——直观地反映两平面没有公共点,将表示两个平面的平 行四边形画成对应边平行。两个平面平行的写法与线、线平行,线、面平行的写法一议,即 将“平面 ? 平行于平面 ? ” ,记为“ ? ∥ ? ” 。 4.空间两个平面的位置关系有且只有“两平面平行”和“两平面相交”两种关系。 5.在明确“两个平行平面的公垂线”“两个平行平面的公垂线段”“两个平行平面的 、 、 距离”的概念后,应该注意到,两平行平面间的公垂线段有无数条,但其长度都相等——是 唯一确定的值, 且两平行平面间的公垂线段, 是夹在两平行平面间的所有线段中最短的线段, 此外还须注意到, 两平行平面间的距离可能化为 “其中一个平面内的直线到另一个平面的距 离”又可转化为“其中一个面内的一个点到另一个平面的距离。 6.三种空间角,即异面直线所成角、直线与平面所成角。平面与平面所成二面角。它 们的求法一般化归为求两条相交直线的夹角,通常“线线角抓平移,线面角找射影,面面角 S射 作平面角”而达到化归目的,有时二面角大小出通过 cos ? = 来求。 S原 7.有七种距离,即点与点、点到直线、两条平行直线、两条异面直线、点到平面、平 行于平面的直线与该平面、两个平行平面之间的距离,其中点与点、点与直线、点到平面的 距离是基础,求其它几种距离一般化归为求这三种距离,点到平面的距离有时用“体积法” 来求。

六、范例分析
例 1、 ⑴已知水平平面 ? 内的两条相交直线 a, b 所成的角为 ? , 如果将角 ? 的平分线 l ? 绕着其顶点,在竖直平面内作上下转动, 转动到离开水平位值的 l ? 处,且与两条直线 a,b

4

? 的大小关系是 2 ? ? A. ? ? 或 ? ? 2 2 ? C. ? > 2
都成角 ?

,则 ? 与





? 2 ? D. ? < 2
0

B. ? > 或 ? <

? 2

⑵已知异面直线 a,b 所成的角为 70 ,则过空间一定点 O,与两条异面直线 a,b 都成 60 角 的直线有 ( )条. A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 ⑶异面直线 a,b 所成的角为 ? ,空间中有一定点 O,过点 O 有 3 条直线与 a,b 所成角都是 60 ,则 ? 的取值可能是
0 0 0 0

0

(

).
0

A. 30 B. 50 C. 60 D. 90 ⑷一个凸多面体有 8 个顶点,①如果它是棱锥,那么它有 条棱, 个面;② 如果它是棱柱,那么它有 条棱 个面. 分析与解答: ⑴ 如图 1 所示,易知直线 l ? 上点A在平面 ? 上的射影是ι 上的点 B,过点 B 作 BC⊥b,

AC ? BC ,tg = .显然,AC>BC, OC 2 OC ? ? ? ? ∴tan ? > tan ,又 ? 、 ? (0, ) ,∴ ? > .故选 C. 2 2 2 2
则 AC⊥b. 在 Rt△OBC 和 Rt△OAC 中,tg ? = O CA 图1 B

a?
ι

⑵如图 2 所示,过空间一点 O 分别作 a ? ∥a, b? ∥b, 则所求直线即为过点 O 且与 a ?, b ? 都成 60 角的直线。
0

b?

∵ ? =110 ,∴
0

?
2

? 55 0 ∴将两对对顶角的平分线绕

O 点分别在竖直平面内转动,总能得到与 a ?, b ? 都成 60 角的直线。故 过点 O 与 a,b 都成 60 角的直线有 4 条,
0 0

a?

? ?1 1 0 0

70 .从而选 D.

0

O

⑶过点 O 分别作 a ? ∥a, b? ∥b,则过点 O 有三条直线与 a,b 所成角都为 60 ,等价于过点 O 有三条直线与
0 0 a ?, b? 所成角都为 60 0 , 如图 3 示, 如果 ? ? 30 , 或 ? ? 50 ,
0

b?
图2

a?
O

则 ? ? ? 150 或 ? ? ? 130 ,过 O 点只有两条直线与 a ?, b ?
0 0

都成 60 角。 如果 ? =90 , ? ? ? 90 , 则 那么过点 O 有四
0 0

0

??
0

b?

条直线与 a ?, b? 所成角都为 60 。如果 ? =60 ,则 ? ? ? 120 ,
0 0

图 3

5

此时过点 O 有三条直线与 a ?, b? 所成角都为 60 。其中一条
0

正是 ? ? 角的平分线. ⑷①如果它是棱锥,则是七棱锥,有 14 条棱,8 个面②如果它是棱柱,则是四棱柱,有 12 条棱,6 个面. 说明: 本组新题主要考查空间直线与直线、直线与平面、平面与平面间的位直关系,考查 空间想象和转化能力,以及周密的分析问题和解决问题

例 2 、 如 图 1 , 设 ABC-A

1

B

1

C

1

是直三棱柱,F 是 A

1

B

1

的中点,且

(1)求证:AF⊥A 1 C;

(2)求二面角 C-AF-B 的大小.

分析:先来看第 1 问,我们“倒过来”分析.如果已经证得 AF⊥A 1 C,则注意到因为
AB=2AA 1 =2a,ABC-A 1 B 1 C 1 是直三棱柱,从而若设 E 是 AB 的中点,就有 A 1 E⊥AF,即 AF⊥平 面 A 1 CE.那么,如果我们能够先证明 AF⊥平面 A 1 CE,则就可以证得 AF⊥A 1 C,而这由 CE ⊥平面 AA 1 B 1 B 立得. 再来看第 2 问. 为计算二面角 C-AF-B 的大小, 我们需要找到二面角 C-AF-B 的平面角. 由 前面的分析知,CE⊥平面 AA 1 B 1 B,而 AF⊥A 1 E,所以,若设 G 是 AF 与 A 1 E 的中点,则∠CGE 即为二面角 C-AF-B 的平面角,再计算△CGE 各边的长度即可求出所求二面角的大小. 解:(1)如图 2,设 E 是 AB 的中点,连接 CE,EA 1 .由 ABC-A 1 B 1 C 1 是直三棱柱,知 AA 1 ⊥平面 ABC,而 CE 平面 ABC,所以 CE⊥AA 1 , ∵AB=2AA 1 =2a,∴AA 1 =a,AA 1 ⊥AE,知 AA 1 FE 是正方形,从而 AF⊥A 1 E.而 A 1 E 是 A 1 C 在平面 AA 1 FE 上的射影,故 AF⊥A 1 C; (2)设 G 是 AB 1 与 A1E 的中点,连接 CG.因为 CE⊥平面 AA 1 B 1 B,AF⊥A 1 E,由三垂线 定理,CG⊥AF,所以∠CGE 就是二面角 C-AF-B 的平面角.∵AA 1 FE 是正方形,AA 1 =a,

∴ EG ?

1 2 EA1 ? a, 2 2

1 6 ∴ CG ? 2a 2 ? a 2 ? a, 2 2

6

6 a CG ? 2 ? 3 ,∠CGE= 60? ,从而二面角 C-AF-B 的大小为 60? 。 ∴tan∠CGE= ? EG 2 a 2
说明:假设欲证之结论成立, “倒着”分析的方法是非常有效的方法,往往能够帮助我 们迅速地找到解题的思路. 《直线、平面、简单几何体》关于平行与垂直的问题都可以使用 这种分析方法.但需要注意的是,证明的过程必须是“正方向”的,防止在证明过程中用到 欲证之结论,从而形成“循环论证”的逻辑错误. 例 3、 一条长为 2 的线段夹在互相垂直的两个平面?、?之间,AB 与?成 45o 角,与? 成 30 角,过 A、B 两点分别作两平面交线的垂线 AC、BD,求平面 ABD 与平面 ABC 所成的二 面角的大小. D
A
√ 2
1

?

以 CD 为轴,将平
D
√2

A
45o

以 AB 为轴,将平
E

√2
1

1

H

A
D B

E

1 45o 30o

B

C F

面 BCD 旋转至与 平面 ACD 共面

C β

F

30o

面 ABD 旋转至与 平面 ABC 共面

1

F C

B

图 1 图 2 图 3 解法1、过 D 点作 DE⊥AB 于 E,过 E 作 EF⊥AB 交 BC 于 F(图 1),连结 DF,则∠DEF 即为二面角 D-AB-C 的平面角. 为计算△DEF 各边的长, 我们不妨画出两个有关的移出图. 在图 2 中, 可计算得 DE=1, BE 1 2 EF= ,BF= = .在移出图 3 中, cos300 3 3 2 BD ∵ cosB= = , 3 BC 在△BDF 中,由余弦定理: 2 2 2 DF =BD +BF -2BD ? BF ? cosB 2 2 2 2 2 2 =( 2 ) +( ) -2? 2 ? ? = . 3 3 3 3 (注:其实,由于 AB⊥DE,AB⊥EF,∴ AB⊥平面 DEF,∴ AB⊥DF. 又∵ AC⊥平面?, ∴ AC⊥DF. ∴ DF⊥平面 ABC, ∴ DF⊥BC,即 DF 是 Rt△ BDC 斜边 BC 上的高,于是由 BC ? DF=CD ? BD 可直接求得 DF 的长. ) 在△DEF 中,由余弦定理: 1 2 1? ( )2 ? 3 DE2 ? EF 2 ? DF 2 3 3 cos∠DEF= = = . 1 2DE ? EF 3 2 ? 1? 3 3 ∴ ∠DEF=arccos .此即平面 ABD 与平面 ABC 所成的二面角的大小. 3 解法2、过 D 点作 DE⊥AB 于 E,过 C 作 CH⊥AB 于 H,则 HE 是二异面直线 CH 和 DE 的公垂线段,CD 即二异面直线上两点 C、D 间的距离.运用异面直线上两点间的距离公式, 得: 2 2 2 2 CD =DE +CH +EH -2DE ? CH ? cos? (*) o o (注:这里的?是平面 ABD 与平面 ABC 所成的二面角的大小,当 0<? ≤90 ,? 亦即 o o o 异面直线 CH 与 DE 所成的角;当 90 <? <180 ,异面直线所成的角为 180 -? .)

7



CD=DE=1,CH=

1 3 ,HE= , 2 2

3 3 , ∴ ?=arccos . 3 3 说明:(1)解空间图形的计算问题,首先要解决定位问题(其中最基本的是确定点在直 线、点在平面上的射影) ,其次才是定量问题.画空间图形的“平面移出图”是解决定位难 的有效方法,必须熟练掌握. (2) 解法2具有普遍意义,特别是公式(*),常可达到简化运算的目的.

从而算得 cos?=

例 4、如图 1,直三棱柱 ABC-A 1 B 1 C 1 的各条棱长都相等, D 为棱 BC 上的一点,在截面 ADC 1 中,若∠ADC 1 = 90 , 求二面角 D-AC1-C 的大小. 解:由已知,直三棱柱的侧面均为正方形, o ∠ADC1=90 ,即 AD⊥C1D.又 CC1⊥平面 ABC, AD⊥CC1. ∴ AD⊥侧面 BC1,∴ AD⊥BC, D 为 BC 的中点. 过 C 作 CE⊥C1D 于 E,∵ 平面 ADC1⊥侧面 BC1, CE⊥平面 ADC1.取 AC1 的中点 F,连结 CF,则 CF⊥AC1. 连结 EF,则 EF⊥AC1(三垂线定理) ∠EFC 是二面角 D-AC1-C 的平面角. CE 在 Rt△EFC 中,sin∠EFC= . ∵ BC=CC1=a CF 2 a 易求得 CE= ,CF= a. 2 5 ∴ sin∠EFC=
10 , ∴ 5
?

A1

B1 F

C1

A

E

∵ ∴ ∴ ∴ ∴

图 7D
B

C

图1

∠EFC=arcsin
10 . 5

10 . 5

∴ 二面角 D-AC1-C 的大小为 arcsin

例 5、已知 PA⊥矩形 ABCD 所在平面,M、N 分别是 AB、PC 的中点. (1)求证:MN⊥AB; (2)设平面 PDC 与平面 ABCD 所成的二面角为锐角θ ,问能否确定θ 使直线 MN 是异 面直线 AB 与 PC 的公垂线?若能,求出相应θ 的值;若不能,说明理由.
解: (1)∵PA⊥矩形 ABCD,BC⊥AB,∴PB⊥BC,PA⊥AC,即△PBC 和△PAC 都是 以 PC 为斜边的直角三角形,? AN ?

1 PC ? BN ,又 M 为 AB 的中点, 2

∴MN⊥AB. (2)∵AD⊥CD,PD⊥CD.∴∠PDA 为所求二面角的平面角,即∠PDA=θ . 设 AB=a,PA=b,AD=d,则 PM ? b 2 ? 1 a 2 ,

4

1 CM ? d 2 ? a 2 4

设 PM=CM 则由 N 为 PC 的中点,

∴MN⊥PC 由(1)可知 MN⊥AB,∴MN 为 PC 与 AB 的公垂线,这时 PA=AD,∴θ =45°。

例 6、 四棱锥 P—ABCD 的底面是边长为 a 的正方形,PB⊥面 ABCD. (1)若面 PAD 与面 ABCD 所成的二面角为 60°,求这个四棱锥 的体积; (2)证明无论四棱锥的高怎样变化,面 PAD 与面 PCD 所成的二面

8

角恒大于 90° 解:(1)正方形 ABCD 是四棱锥 P—ABCD 的底面, 其面积 为 a 2 , 从而只要算出四棱锥的高就行了.

? PB ? 面 ABCD,
∴BA 是 PA 在面 ABCD 上的射影.又 DA⊥AB, ∴PA⊥DA, ∴∠PAB 是面 PAD 与面 ABCD 所成的二面角的平面角, ∠PAB=60°. 而 PB 是四棱锥 P—ABCD 的高,PB=AB·tan60°= 3 a,

?V锥 ?

1 3 3 3a ? a 2 ? a . 3 3

(2)不论棱锥的高怎样变化,棱锥侧面 PAD 与 PCD 恒为全等三角形. 作 AE⊥DP,垂足为 E,连结 EC,则△ADE≌△CDE, 是面 PAD 与面 PCD 所成的二面角的平面角. ? AE ? CE, ?C E D 90? , 故?C E A ? 设 AC 与 DB 相交于点 O,连结 EO,则 EO⊥AC,

?

2 a ? OA ? AE ? AD ? a. 2

2 2 2 在 ?AEC中, cos?AEC ? AE ? EC ? (2 ? OA) ? ( AE ? 2OA)( AE ? 2OA) ? 0. 2 AE ? EC AE 2 故平面 PAD 与平面 PCD 所成的二面角恒大于 90°. 说明:本小题主要考查线面关系和二面角的概念,以及空间想象能力和逻辑推理能力, 具有一定的探索性, 是一道设计新颖, 特征鲜明的好题.

例 7、如图,直三棱柱 ABC-A1B1C1 的底面 ABC 为等腰直角三角形,∠ACB=900,AC=1, C 点到 AB1 的距离为 CE=

3 ,D 为 AB 的中点. 2
A1

C1 B1

(1)求证:AB1⊥平面 CED; (2)求异面直线 AB1 与 CD 之间的距离; (3)求二面角 B1—AC—B 的平面角. 解:(1)∵D 是 AB 中点,△ABC 为等腰直角三角形, ∠ABC=900,∴CD⊥AB 又 AA1⊥平面 ABC,∴CD⊥AA1. ∴CD⊥平面 A1B1BA ∴CD⊥AB1,又 CE⊥AB1, ∴AB1⊥平面 CDE; (2)由 CD⊥平面 A1B1BA ∴CD⊥DE ∵AB1⊥平面 CDE ∴DE⊥AB1, ∴DE 是异面直线 AB1 与 CD 的公垂线段 ∵CE=

E A D

C B

1 3 2 ,AC=1 , ∴CD= . ∴ DE ? (CE ) 2 ? (CD ) 2 ? ; 2 2 2

(3)连结 B1C,易证 B1C⊥AC,又 BC⊥AC , ∴∠B1CB 是二面角 B1—AC—B 的平面角. 在 Rt△CEA 中,CE= ∴ AB1 ?

3 ,BC=AC=1,∴∠B1AC=600 2

1 ? 2 , ∴ BB1 ? ( AB1 ) 2 ? ( AB ) 2 ? 2 , 2 cos 60 BB1 ? 2 , ∴ ?B1CB ? arctg 2 . ∴ tg?B1CB ? BC
说明:作出公垂线段和二面角的平面角是正确解题的前提, 当然, 准确地作出应当有 严格的逻辑推理作为基石.

9

例 8、 如图,在三棱锥 S — ABC 中, SA? 平面 ABC , AB ? AC ? 1 , SA ? 2 ,D 为 BC 的中点. (1)判断 AD 与 SB 能否垂直,并说明理由; (2) 若三棱锥 S — ABC 的体积为
3 A , ?B C 为 且 6

钝角, 求二面角 S — BC— A 的

平面角的正切值; (3) (Ⅱ) 在 的条件下, 求点 A 到平面 SBC 的距离. 解: (1)因为 SB 在底面 ABC 上的射影 AB 与 AD 不垂 直,否则与 AB=AC 且 D 为 BC 的中点矛盾,所以 AD 与 SB 不垂直; (2)设 ?BAC ? ? ,则 V ? 解得 sin ? ?
1 1 2 3 ? ? 1 ? 2 ? sin ? ? 3 2 6

3 ,所以 ? ? 600 (舍) ? ? 1200 . , 2 ? SA? 平面 ABC,AB=AC,D 为 BC 的中点 ? AD?BC, SD?BC , 则 ?SDA 是二面角 S—BC—A 的平面角. SA 在 Rt?SDA 中, tan ?SDA ? ?4, AD 故二面角的正切值为4; (3)由(2)知, BC? 平面 SDA,所以平面 SBC ? 平面 SDA,过点 A 作 AE ? SD,则 AE ? 平 面 SBC,于是点 A 到平面 SBC 的距离为 AE,

从而 AE ? AD sin ?SDA ?

2 17 2 17 即 A 到平面 SBC 的距离为 . 17 17

例 9、如图 a—l— ? 是 120°的二面角,A,B 两点在棱上,AB=2,D 在 ? 内,三角形 ABD 是等腰直角三角形,∠DAB=90°,C 在 ? 内, ? ABC 是等腰直角三角形∠ACB= 90 . (I) 求三棱锥 D—ABC 的体积; (2)求二面角 D—AC—B 的大小; (3)求异面直线 AB、CD 所成的角.
0

解: (1) 过 D 向平面 ? 做垂线,垂足为 O,连强 OA 并延长至 E.

? AB?AD, OA为DA在平面?上的射影? AB?OA? ?DAE 为二面角 a— l— ? 的 ,
平面角. ?DAE ? 120 ,? ?DAO ? 60 . ? AD ? AB ? 2,? DO ? 3 .
? ?

? ?ABC 是等腰直角三角形,斜边 AB=2.? S?ABC ? 1, 又 D 到平面 ? 的距离 DO= 3.

10

?VD ? ABC ?

(2) O 在 ? 内作 OM⊥AC,交 AC 的反向延长线于 M,连结 DM.则 AC⊥DM.∴∠DMO 为 过 二面角 D—AC—B 的平面角. 又在△DOA 中,OA=2cos60°=1.且

3 . 3

?OAM ? ?CAE ? 45? ,? OM ?

(3)在 ? 平在内,过 C 作 AB 的平行线交 AE 于 F,∠DCF 为异面直线 AB、CD 所成的角. 为等腰直角三角形,又 AF ? AB?AF,?CF?AF ?CF?DF, 又?C A F 45? ,即?A C F ? 等于 C 到 AB 的距离,即△ABC 斜边上的高,? AF ? CF ? 1.

2 . ? tan ?DMO ? 6.??DMO ? arctan 6. 2

? DF 2 ? AD 2 ? AF 2 ? 2 AD ? AF cos120? ? 7.? tan ?DCF ?
异面直线 AB,CD 所成的角为 arctan 7 .

DF ? 7.? tan ?DCF ? 7. CF

例 10、在平面几何中有如下特性:从角的顶点出发的一条射线上任意一点到角两边的距离 之比为定值。类比上述性质,请叙述在立体几何中相应地特性,并画出图形。不必证明。 类比性质叙述如下 : 图

解:立体几何中相应地性质: ⑴从二面角的棱出发的一个半平面内任意一点到二面角的两个面的的距离 之比为定值。 ⑵从二面角的棱上一点出发的一条射线上任意一点到二面角的两个面 的距离之比为定值。 ⑶在空间,从角的顶点出发的一条射线上任意一点到角两边的距离 之比为定值。 ⑸在空间,射线 OD 上任意一点 P 到平面 AOB 、 BOC 、 COA 的 距离之比不变。 说明: (2)——(5)还可以有其他的答案。

β γ α

P

B A O
A

⑷在空间,射线 OD 上任意一点 P 到射线 OA 、 OB 、 OC 的距离之比不变。

M

D N C

B 例 11、已知圆锥的侧面展开图是一个半圆,它被过底面中心 O1 且平行于母线 AB 的平面 所截,若截面与圆锥侧面的交线是焦参数(焦点到准线的距离) 为 p 的抛物线. (1)求圆锥的母线与底面所成的角; (2)求圆锥的全面积. 解: (1)设圆锥的底面半径为 R,母线长为 l, 由题意得: ?l ? 2?R , R 1 即 cos ACO1 ? ? , l 2 0 所以母线和底面所成的角为 60 . (2)设截面与圆锥侧面的交线为 MON,其中 O 为截面与

AC 的交点,则 OO1//AB 且 OO1 ? 1 AB.
2

在截面 MON 内,以 OO1 所在有向直线为 y 轴,O 为原点,建 立坐标系,则 O 为抛物的顶点,所以抛物线方程为 x2=-2py,点 N 的坐标为(R,-R) ,代入方程得 R2=-2p(-R) ,得 R=2p,l=2R=4p.

11

∴圆锥的全面积为 ?Rl ? ?R 2 ? 8?p 2 ? 4?p 2 ? 12?p 2 . 说明:将立体几何与解析几何相链接, 颇具新意, 预示了高考命题的新动向. 类似请思 考如下问题: 一圆柱被一平面所截,截口是一个椭圆.已知椭圆的长轴长为 5,短轴长为 4,被截后 几何体的最短侧面母 线长为 1,则该几何体的体积等于 . 例 12、 在直角梯形 ABCD 中, ∠A=∠D=90°, AB<CD, SD⊥平面 ABCD, AB=AD=a, D= 2a , S 在线段 SA 上取一点 E(不含端点)使 EC=AC,截面 CDE 与 SB 交于点 F。 (1)求证:四边形 EFCD 为直角梯形; (2)求二面角 B-EF-C 的平面角的正切值;

CD (3)设 SB 的中点为 M,当 的值是多少时,能使△DMC AB

S

为直角三角形?请给出证明. F E 解: (1)∵ CD∥AB,AB ? 平面 SAB ∴CD∥平面 SAB M 面 EFCD∩面 SAB=EF, ∴CD∥EF ∵ ?D ? 900 ,?CD ? AD, D 又 SD ? 面 ABCD A B ∴ SD ? CD ?CD ? 平 面 SAD , ∴ CD ? ED 又 EF ? AB ? CD ? EFCD 为直角梯形 (2)? CD ? 平面 SAD, EF ∥ CD, EF ? 平面 SAD ? AE ? EF, DE ? EF,? ?AED 即为二面角 D—EF—C 的平面角 中 EC 2 ? ED2 ? CD 2 而 AC 2 ? AD2 ? CD 2 且 AC ? EC ? ED ? AD ? ? , ??ADE 为等腰三角形,??AED ? ?EAD ? tan ?AED ? 2 (3)当

C

CD ? 2 时, ?DMC 为直角三角形 . AB
? AB ? a,? CD ? 2a, BD ? AB2 ? AD2 ? 2a, ?BDC ? 450 ? BC ? 2a, BC ? BD ,
? SD ? 平面 ABCD,? SD ? BC,? BC ? 平面 SBD

在 ?SBD 中, SD ? DB, M 为 SB 中点,? MD ? SB . ? MD ? 平面 SBC, MC ? 平面 SBC , ? MD ? MC ??DMC 为直角三角形。 例 13、如图,几何体 ABCDE 中,△ABC 是正三角形,EA 和 DC 都垂直于平面 ABC,且 EA=AB=2a, DC=a,F、G 分别为 EB 和 AB 的中点. (1)求证:FD∥平面 ABC; (2)求证:AF⊥BD; (3) 求二面角 B—FC—G 的正切值. 解: ∵F、G 分别为 EB、AB 的中点, ∴FG=

1 EA,又 EA、DC 都垂直于面 ABC, FG=DC, 2 ∴四边形 FGCD 为平行四边形,∴FD∥GC,又 GC ? 面 ABC,

∴FD∥面 ABC. (2)∵AB=EA,且 F 为 EB 中点,∴AF⊥EB ① 又 FG∥EA,EA⊥面 ABC ∴FG⊥面 ABC ∵G 为等边△ABC,AB 边的中点,∴AG⊥GC. ∴AF⊥GC 又 FD∥GC,∴AF⊥FD ② 由①、②知 AF⊥面 EBD,又 BD ? 面 EBD,∴AF⊥BD. (3)由(1)(2)知 FG⊥GB,GC⊥GB,∴GB⊥面 GCF. 、

EDC?tR ?,DC ? DE

.

12

过 G 作 GH⊥FC,垂足为 H,连 HB,∴HB⊥FC. ∴∠GHB 为二面角 B-FC-G 的平面角. 易求 GH ?

3 a,? tan ?GHB ? 2

a 2 3 . ? 3 3 a 2

例 14、如图,正方体 ABCD—A1B1C1D1 的棱长为 1, P、Q 分别是线段 AD1 和 BD 上的点, 且 D1P∶PA=DQ∶QB=5∶12. (1) 求证 PQ∥平面 CDD 1 C 1 ; (2) 求证 PQ⊥AD; (3) 求线段 PQ 的长. 解: 在平面 AD 1 内, PP 1 ∥AD 与 DD 1 交于点 P 1 , (1) 作 在平面 AC 内,作 QQ1∥BC 交 CD 于点 Q 1 ,连结 P 1 Q 1 . ∵
D1 P DQ 5 ? ? PA QB 12

,

∴PP1 QQ 1 .? 知 PQ∥P 1 Q 1 ,而 P 1 Q 1 ? 平面 CDD 1 C 1 ,

//

由四边形 PQQ 1 P 1 为平行四边形, 所以 PQ∥平面 CDD 1 C 1 ? (2)? AD⊥平面 D 1 DCC 1 ,

∴AD⊥P 1 Q 1 ,?又∵PQ∥P 1 Q 1 ,

∴AD⊥PQ.?

(3)由(1)知 P 1 Q 1
DQ1 DQ 5 ? ? Q 1 C QB 12

//

PQ,

,而棱长 CD=1.

5 12 ∴DQ 1 = 17 . 同理可求得 P 1 D= 17 .

在 Rt△P 1 DQ 1 中,应用勾股定理, 立得 P 1 Q 1 =

13 ? 12 ? ? 5 ? P1 D ? DQ ? ? ? ? ? ? ? 17 . ? 17 ? ? 17 ?
2 2

2

2

C

?

D
做为本题的深化, 我们提出这样的问题: P, Q 分 别是 BD, AD1 上的动点,试求 PQ 的最小值, 请应用 函数方法计算, 并与如下 2002 年全国高考试题做以 对照, 可以得到一些启示。 如图,正方形 ABCD、ABEF 的边长都是 1,而且平 面 ABCD、ABEF 互相垂直。点 M 在 AC 上移动,点 N 在 BF 上移动,若 CM=BN= a (0 ? a ?

M

B N A F

E

2 ).

13

(1) 求 MN 的长; (2) 当 a 为何值时,MN 的长最小; (3) 当 MN 长最小时,求面 MNA 与面 MNB 所成的二面角 ? 的大小。 立体几何知识是复课耗时较多, 而考试得分偏底的题型. 只有放底起点, 依据课本, 熟 化知识, 构建空间思维网络, 掌握解三角形的基本工具, 严密规范表述, 定会突破解答立几 考题的道道难关. 例 16、在边长为 a 的正三角形的三个角处各剪去一个四边形.这个四边形是由两个全 等的直角三角形组成的,并且这三个四边形也全等,如图①.若用剩下的部分折成一个无盖 的正三棱柱形容器,如图②.则当容器的高为多少时,可使这个容器的容积最大,并求出容 积的最大值.

图① 图② 解: 设容器的高为 x.则容器底面正三角形的边长为 a ? 2 3x , 3 a ?V ( x ) ? ? x ? ( a ? 2 3 x ) 2 (0 ? x ? ) 4 2 3
? 3 1 ? ? 4 3x ? (a ? 2 3x)(a ? 2 3 x) 4 4 3

?

1 4 3x ? a ? 2 3x ? a ? 2 3x 3 a 3 . ( ) ? 16 3 54

3 当且仅当 4 3x ? a ? 2 3x, 即x ? 3 a时, Vmax ? a . . 18 54 3 故当容器的高为 3 a 时,容器的容积最大,其最大容积为 a .

18

54

用导数的方法,三次函数的最值问题用导数求解最方便,不妨一试. 另外,本题的深化 似乎与 2002 年全国高考文科数学压轴题有关. 类似的问题是: 某企业设计一个容积为 V 的密闭容器,下部是圆柱形,上部是半球形,当圆柱的底面 半径 r 和圆柱的高 h 为何值时,制造这个密闭容器的用料最省(即容器的表面积最小).

七、强化训练
1.下列命题中错误的是 ( ) A.若一直线垂直于一平面,则此直线必垂直于这一平面内所有直线 B.若一平面经过另一平面的垂线,则两个平面互相垂直 C.若一条直线垂直于平面内的一条直线,则此直线垂直于这一平面 D.若平面内的一条直线和这一平面的一条斜线的射影垂直,则它也和这条斜线垂直 2.设α 、β 是不重合的两个平面,l和m 是不 重合的两条 直线,那么α ∥β 的 一个充分条件是( ) A.l ? α ,m ? α ,且 l∥β ,m∥β B.l ? α ,m ? β ,且 l∥m C.l⊥α ,m⊥β ,且 l∥m D.l∥α ,m∥β ,且 l∥m 3.正方体 ABCD-A1B1C1D1中, F分别是 AB、BB1 的中点,那么 A1E 和 C1F 所成的角是( E、 )

14

A.60°

B.arccos

2 5

C.arcsin

2 5

D.45°

4.下列四个命题: (1)如果两个平面垂直于同一个平面,那么这两个平面平行; (2)直线 a∥平面α ,直线 b∥平面α ,且 a、b 都在平面β 内,则平面α ∥平面β ; (3)一个二面角的两个半平面分别垂直于另一个二面角的两个半平面,则这两个二面角 必相等或互补; (4)两个二面角的面分别对应平行时,它们的平面角相等或互补; 其中正确的有 ( ) A.0 个 B.1 个 C.2 个 D.3 个 5. P 点出发的三条射线 PA、 PC 两两成 60°角, 从 PB、 则PC 与面PAB 所成角的余弦值为 ( ) A.

3 2

B.

3 3

C.

3 6

D.以上都不对

6.球面上有 3 个点,其中任意两点的球面积距离都等于大圆周长的 周长为 4π ,那么这个球的半径为

1 ,经过这三点的小圆 6
( )

A.4 3 B.2 3 C.2 D. 3 7.正三棱锥底面边长为 a,侧棱与底面所成角为 60°,过底面一边作一截面使其与底面成 30°的二面角,则此截面面积为 ( ) A.

3 2 a 4

B. a

1 3

2

C. a

3 8

2

D.以上答案都不对

8.二面角α —a—β 的平面角为 120°,在面α 内,AB⊥a 于 B,AB=2 在平面β 内,CD⊥a 于 D,CD=3,BD=1,M 是棱 a 上的一个动点,则 AM+CM 的最小值为 ( ) A.2 5 B.2 2 C. 26 D.2 6 B

9.如右图是一个无盖的正方体盒子展开后的平面图,A、B、C 是展开图 上的三点,则在正方体盒子中,∠ABC 的值为 ( ) A.180° B.120° C.60° D.45° C

A

10.如图的多面体是过正四棱柱的底面 ABCD 的点 A 作载面 AB1C1D1 而截得的,且 BB1=DD1.已知截面 AB1C1D1 与 底面 ABCD 成 30°的二面角,AB=1, 则这个多面体的体积为 ( ) A.

C1 D1
D B1

C

6 2

B.

6 3

C.

6 9

A D.

6 6

B

11.在三棱锥 A—BCD 中,P、Q 分别是棱 AC、BD 上的点,连 AQ、CQ、BP、DP、PQ, 若三棱锥 A—BPQ、B—CPQ、C—DPQ 的体积分别为 6、2、8,则三棱锥 A—BCD 的 体积是 ( ) A.20 B.28 C.40 D.88 12.若正棱锥的底面边长与侧棱长相等,则该棱锥一定不是 ( ) (A)三棱锥 (B)四棱锥 (C)五棱锥 (D)六棱锥 13.已知三棱锥 P ? ABC 中,顶点 P 在底面的射影 O 是三角形 ABC 的内心,关于这个三棱 PB PC 锥有三个命题:①侧棱 PA ? PB ? PC ;②侧棱 PA、 、 两两垂直;③各侧面与底 面所成的二面角相等。其中错误的是 ( ) (A)①② (B)①③ (C)②③ (D)①②③

15

14.若一棱台上、下底面面积分别是 (A) S 0 ?

S 和 S ,它的中截面面积是 S 0 ,则 4
(C) S 0 ?





5 S 8

(B) S 0 ?

1 S 2

9 S 16

(D) S 0 ?

2 2

S

15.两两相交的三个平面将空间分成___________个部分。 16.正四棱柱的底面边长为 a ,高为 b (a ? b) ,一蚂蚁从顶点 A 出发,沿正四棱柱的表面 爬到顶点 C1 ,那么这只蚂蚁所走过的最短路程为_________。 17.正四棱锥的高与底面边长都是 1,侧棱与底面所成的角是 arctan x ,则 x ? ________。 18.在三棱锥的四个面中,直角三角形最多可以有_________个。

BC CD DA F G H 19.空间四边形 ABCD 中, AC ? 8 , BD ? 12 , E 、 、 、 分别是 AB 、 、 、 边
上的点,且 EFGH 为平行四边形,则四边形 EFGH 的周长的取值范围是____________。 20.若 AB 的中点 M 到平面 ? 的距离为 4 cm ,点 A 到平面 ? 的距离为 6 cm ,则点 B 到平面

? 的距离为_________ cm 。
PB PC 21.三棱锥 P ? ABC 中,侧棱 PA 、 、 两两垂直,底面 ABC 内一点 S 到三个侧面的距

3 6 离分别是 2 、 、 ,那么 PS ? ________。
22.直三棱柱 ABC ? A1 B1C1 中, AA1 ? AC ? BC ? 1 , AC ? BC , D1 是 A1 B1 上的一点, 则 D1 到截面 ABC1 的距离等于__________。

F AD 23.正四面体 ABCD 中, E 、 分别是 BC 、 的中点,那么 EF 与平面 BCD 所成的角的 大小为___________。
24.正三棱锥 P ? ABC 的底面边长为 2a ,侧棱 PA ? a ,则二面角 P ? AB ? C 的大小是 ______。

F G 25.设棱长为 4 的平行六面体 ABCD ? A1 B1C1 D1 的体积为 V , E 、 、 分别是棱 AF AG AB 、 、 1 上的点, AE ? 1, ? 2 , ? 3 , AD AA 且 则三棱锥 A ? EFG 的体积 V / ? _______。
26.一个透明密闭的正方体容器中,恰好盛有该容器一半容积的水,任意转动这个正方体, 则水面在容器中的形状可以是:(1)三角形;(2)菱形;(3)矩形;(4)正方形;(5)正六边 形。其中正确的结论是___________________。 (把你认为正确的序号都填上) 27.在球面上有四个点 P、A、B、C,如果 PA、PB、PC 两两互相垂直,且 PA=PB=PC=a, 那么这个球面的表面积是 . 28. 正三棱锥 S—ABC 的侧棱长为 1, 两条侧棱的夹角为 45°, 过顶点 A 作一截面交 SB 于 D, 交 SC 于 E,则△ADE 的周长的最长小值是 . 29.α ,β 是两个不同的平面,m , n 是平面α 及β 之外的两条不同直线,给出四个论断: ①m⊥n; ②α ⊥β ;③n⊥β ; ④m⊥α ,以其中三个论断作为条件,余下一个论断 作为结论,写出你认为正确的一个命题 . 30.设 x, y , z 是空间的不同直线或不同平面,且直线不在平面内,下列条件中能保证“若
x ? z ,且 y ? z,则x // y ”为真命题的是 (填所有正确条件的代号) ①x 为直线,y,z 为平面 ②x,y,z 为平面 ③x,y 为直线,z 为平面 ④x,y 为平面,z 为直线 ⑤x,y,z 为直线

16

31.三棱锥 P ? ABC 中, PC ? x ,其余棱长均为 1。 (1)求证: PC ? AB ; (2)求三棱锥 P ? ABC 的体积的最大值。

P

A B

C

N CD 32.直二面角 A ? BD ? C 中, M 、 分别是线段 AB 、 上的点(不包括端点) ,
且 ?ADB ? ?DBC ? 90? , AD ? DB ? BC ? 1 , AM ? DN , AM ? x , MN ? y 。 (1)若 MN 与平面 BCD 所成的角为 45 ? ,求 x 的值; (2)求函数 y ? f (x) 的解析式及定义域、值域。
A

M B

D N C

33. 如图,平面?∩平面?=MN, o 二面角 A-MN-B 为 60 ,点 A∈?, o B∈?,C∈MN,∠ACM=∠BCN=45 . AC=1, (1) 求点 A 到平面?的距离; (2) 求二面角 A-BC-M 的大小.

N A M C β B

第 33 题图

34. 已知直三棱柱 ABC-A1B1C1 中,AB=AC,F 为 BB1 上的一点,BF=BC=2a, FB1=a. (1) 若 D 为 BC 的中点,E 为 AD 上不同于 A、D 的任一点,求证:EF⊥FC1; (2) 若 A1B1=3a,求 FC1 与平面 AA1B1B 所成角的大小.

35. 如图 1,直角梯形 ABCD 中,∠BAD=∠D=90 ,AD=CD=a,AB=2a, 将△ADC 沿 AC 折起,使点 D 到 D?.

o

17

(1) 若二面角 D?-AC-B 为直二面角(图 2),求二面角 D?-BC-A 的大小; o (2) 若二面角 D?-AC-B 为 60 (图 3),求三棱锥 D?-ABC 的体积.
D C
D

D D
C

C A B

A

B

D A

B

图1

图2

图3

36.(’85 广东)已知直三棱柱 ABC-A1B1C1 的侧棱 AA1=4cm, o 它的底面△ABC 中有 AC=BC=2cm,∠C=90 ,E 是 AB 的 中点.
2 3 cm; 3 (2) 求截面 ACB1 与侧面 ABB1A1 所成的二面角的大小.

C1 B1 A1 A

C B E

(1) 求证:CE 和 AB1 所在的异面直线的距离等于

37.已知三棱锥 P—ABC 中,PC⊥底面 ABC,AB=BC, D、F 分别为 AC、PC 的中点,DE⊥AP 于 E.

(1)求证:AP⊥平面 BDE; (2)求证:平面 BDE⊥平面 BDF; (3)若 AE∶EP=1∶2,求截面 BEF 分三棱锥

18

P—ABC 所成两部分的体积比.

38.已知 ABC—A1B1C1 为正三棱柱,D 是 AC 的中点. (Ⅰ)证明:AB1//平面 DBC1; (Ⅱ)若 AB1⊥BC1,BC=2. ①求二面角 D—BC1—C 的大小; ②若 E 为 AB1 的中点,求三棱锥 E—BDC1 的体积. 39.在三棱柱 ABC—A′B′C′中,四边形 A′ABB′是菱形,四边形 BCC′B′ 矩形,C′B′⊥AB. (Ⅰ)求证:平面 CA′B⊥平面 A′AB B′; (Ⅱ)若 C′B′=3,AB=4,∠ABB′=60O,求直线 AC′与平面 BCC′B′所成角以及三棱锥 A—BB′C′的体积. N 40、直三棱柱 ABC ? A1 B1C1 中, ?BAC ? 90? , AB ? AC ? 1 , M 、 分别是棱 A1 B 、

B1C1 上的点,且 BM ? 2 A1 M , C1 N ? 2B1 N , MN ? A1 B 。 (1)求直三棱柱 ABC ? A1 B1C1 中的高 a 及 MN 的长; (2)动点 P 在 B1C1 上移动,问 P 在何位置时, ?PA1 B 的面积才能取得最小值。

C1
N

A1
M C A 41.一个正多面体各个面的内角和为 20? ,求它的面数、顶点数和棱数。

B1

B

八、参考答案
1-5.CCBBB; 6-10.BCCCD; 15.6,7,8; 20.2 或 14;
V 25. 64 ;

11-14.CDAC 17. 2 ;
3 3

2 2 16. 4a ? b ;

18.4 个; 19. (16 , 24 ) ;
3 3

21.7 ; 22.

; 23. arcsin
2

;24. arctan 2 ; 28.

26. (3) (5) (2) (4) ;

27. 3? a ;

29. ①m⊥n ③n⊥β ④m⊥α ? ②α ⊥β (或②α ⊥β ③n⊥β ④m⊥α ? ①m⊥n) 30. ①③④
31.解: (1)取 AB 中点 M ,∵ ?PAB 与 ?CAB 均为正三角形,∴ AB ? PM , AB ? CM , ∴ AB ? 平面 PCM ? AB ? PC 。 (2)当 PM ? 平面 ABC 时,三棱锥的高为 PM ,此时 Vmax ? 1 S?ABC ? PM ? 1 ? 3 3
3 4

2? 2

?

3 2

?

1 8



19

32.解: (1)作 ME ? BD 于 E ,则 ME ? 平面 BCD ,∴ ?MNE ? 45? ,

DE EB

?

?

AM MB

?

DN NC

? EN // BC 。

ME ?

2 2

( 2 ? x) ? 1 ?

2 2

x , EN ?

2 2

x ,由 ME ? EN ? x ?

2 2

(2)函数解析式 y ? f (x ) ? EM 2 ? EN 2 ? x 2 ? 2 x ? 1 ? ( x ?

2 2 ) 2

1 2

,定义域 ( 0 , 2 ) ,值域

[

2 2

, 1) .

33. (1) 34. (2) 35. (1) 36. (3)

37.解: 由 AB=BC,D 为 AC 的中点,得 BD⊥AC.又 PC∩AC=C,∴BD⊥平面 PAC. 又 PA ? 平 面、PAC,∴BD⊥PA.由已知 DE⊥PA,DE∩BD=D,∴AP⊥平面 BDE. (2)由 BD⊥平面 PAC,DE ? 平面 PAC,得 BD⊥DE.由 D、F 分别为 AC、PC 的中点,得 DF//AP. 由已知,DE⊥AP,∴DE⊥DF. BD∩DF=D,∴DE⊥平面 BDF. 又? DE ? 平面 BDE,∴平面 BDE⊥平面 BDF. (3)设点 E 和点 A 到平面 PBC 的距离分别为 h1 和 h2.则 h1∶h2=EP∶AP=2∶3,
? V P ? EBF V E ? PBF ? V P ? ABC V A? PBC 1 ? h1 ? S ?PBF 2 1 ? 3 ? ? . 1 3? 2 3 ? h2 ? S ?PBC 3

3 6 6 ; (2)arctan (提示:求出点 A 在平面 ? 的射影到直线 BC 的距离为 ). 4 4 3 4 10 arcsin . 15 6 3 o 45 ; (2) a . 12 10 arccos . 5 (1)∵PC⊥底面 ABC,BD ? 平面 ABC,∴PC⊥BD.

故截面 BEF 分三棱锥 P—ABC 所成两部分体积的比为 1∶2 或 2∶1 说明:值得注意的是, “截面 BEF 分三棱锥 P—ABC 所成两部分的体积比”并没有说明先后 顺序, 因而最终的比值答案一般应为两个,不要犯这种“会而不全”的错误. 38.解: (Ⅰ)连结 CB1 交 BC1 于 O,连结 OD

? OD // AB1 , OD在面DBC1内,? AB1 // 平面DBC1
(Ⅱ)① OD ? BC1 , 又O为BC1中点, ? DO ? DC1 ?CC1 ? 2

过O作OM ? BC1交BC于H , 则OH ? ?HOD为所求.

3 , 2

3 3 2 BH ? , DH ? ,? cos ? ? ,?? ? 45? 2 2 2


1 VE ? BDC1 ? VA1 ? BDC1 ? BDC1 2 1 1 1 6 ? VB ? A1DC1 ? ? ? 3 ? 2 ? 2 2 3 6

20

39. (Ⅰ)证明

在三棱柱 ABC—A′B′C′中,C′B′//CB, ∵C′B′⊥AB,∴CB⊥AB. 又四边形 BCC′B′是矩形,CB⊥B′B,∴CB⊥平面 A′AB B′. 而 CB ? 平面 CA′B ,故平面 CA′B⊥平面 A′A B B′. (Ⅱ)解 过 A 作 AH⊥BB′于 H,连 C′H. ∵CB⊥平 A′AB B′,CB ? 平面 BC C′B′, ∴平面 BCC′B′⊥平面 A′AB B′. ∴AH⊥平面 BCC′B′. ∴∠AC′H 为 AC′与平面 BCC′B′所成的角. 连结 A′B 交于 A′B 于 O,由四边形 A′ABB′是菱形, ? ABB′=60O, 可知△ABB′为等边三角形, AB′=AB =4,而 H 为 BB 中点,于是 AH=2 在 Rt△C′B′A 中, AC′= 42 ? 32 ? 5 , 在 Rt△AH C′中, sin ?AC?H ? 2
3 5 ,??AC ?H ? arcsin 2 3 . 5

故直线 AC′与平面 BCC′B′所成的角为 arcsin 又 AH⊥平面 BCC′B′. ∴点 A 到平面 BCC′的距离即为 AH=2 3 .
1 ?VA? BB'C ? VA?BCC? ? ? s?BCC? ? h 3

2 3 . 5

= ?

1 1 1 1 ? BC ? CC ? ? AH ? ? ? 3 ? 4 ? 2 3 ? 4 3 . 3 2 3 2
6 6

40.答案: (1) a

? 1 , | MN | ?

3 3



(2)即当与 N 重合时, ?PA1 B 的面积才能取得最小值



41.解:由题意设每一个面的边数为 m ,则 F (m ? 2)? ? 20? ,∴ F (m ? 2) ? 20 ,

mF ? E ,∴ E ? F ? 10 ,将其代入欧拉公式 V ? F ? E ? 2 ,得 V ? 12 ,设过每一个顶点 2 n 12n 12n 5 2 ? 6n ? 2 ,即 ? ? 1 (1), 的棱数为 n ,则 E ? V ? 6n , F ? 得 12 ? 2 m m 3n m m ? 3 ,∴ n ? 5 ,又 n ? 3 , ∵ ∴ n 的可能取值为 3 , 4 , 5 , 当 n ? 3 或 n ? 4 时(1)中 m 无整数解; 当 n ? 5 ,由(1)得 m ? 3 , ∴ E ? 30 , ∴ F ? 20 , 综上可知: E ? 30 , V ? 12 , F ? 20 .

w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

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