高考数学(理数)二轮专题培优练习16《利用空间向量求夹角》 (教师版)

这是一份高考数学(理数)二轮专题培优练习16《利用空间向量求夹角》 (教师版)，共21页。试卷主要包含了利用面面垂直建系，线段上的动点问题，翻折类问题等内容，欢迎下载使用。
培优点十六  利用空间向量求夹角1．利用面面垂直建系例1：在如图所示的多面体中，平面平面，四边形为边长为2的菱形，为直角梯形，四边形为平行四边形，且，，．（1）若，分别为，的中点，求证：平面；（2）若，与平面所成角的正弦值为，求二面角的余弦值．【答案】（1）见解析；（2）．【解析】（1）连接，∵四边形为菱形，∴．∵平面平面，平面平面，平面，，∴平面．又平面，∴．∵，∴．∵，∴平面．∵分别为，的中点，∴，∴平面．（2）设，由（1）得平面，由，，得，．过点作，与的延长线交于点，取的中点，连接，，如图所示，又，∴为等边三角形，∴，又平面平面，平面平面，平面，故平面．∵为平行四边形，∴，∴平面．又∵，∴平面．∵，∴平面平面．由（1），得平面，∴平面，∴．∵，∴平面，∴是与平面所成角．∵，，∴平面，平面，∵，∴平面平面．∴，，解得．在梯形中，易证，分别以，，的正方向为轴，轴，轴的正方向建立空间直角坐标系．则，，，，，，由，及，得，∴，，．设平面的一个法向量为，由得，令，得设平面的一个法向量为，由得，令，得．∴， 又∵二面角是钝角，∴二面角的余弦值是． 2．线段上的动点问题例2：如图，在中，，，，沿将翻折到的位置，使平面平面．（1）求证：平面；（2）若在线段上有一点满足，且二面角的大小为，求的值．【答案】（1）见解析；（2）．【解析】（1）中，由余弦定理，可得．∴，∴，∴．作于点，∵平面平面，平面平面，∴平面．∵平面，∴．又∵，，∴平面．又∵平面，∴．又，，∴平面．（2）由（1）知，，两两垂直，以为原点，以方向为轴正方向建立如图所示空间直角坐标系，则，，．设，则由，设平面的一个法向量为，则由，取．平面的一个法向量可取，∴．∵，∴．3．翻折类问题例3：如图1，在边长为2的正方形中，为中点，分别将，沿，所在直线折叠，使点与点重合于点，如图2．在三棱锥中，为中点．（1）求证：；（2）求直线与平面所成角的正弦值；（3）求二面角的大小．【答案】（1）见解析；（2）；（3）．【解析】（1）在正方形中，为中点，，，∴在三棱锥中，，．∵，∴平面．∵平面，∴．（2）取中点，连接，取中点，连接．过点作的平行线．∵平面，∴，．∵，为的中点，∴．∴．如图所示，建立空间直角坐标系．，，，．∵，为的中点，∴．∵平面，平面，∴平面平面．∵平面平面，平面，∴平面．∵．∴平面的法向量．．设直线与平面所成角为，则．∴直线与平面所成角的正弦值为． （3）由（2）知，，．设平面的法向量为，则有即，令，则，．即．∴．由题知二面角为锐角，∴它的大小为．一、单选题1．如图，在所有棱长均为的直三棱柱中，，分别为，的中点，则异面直线，所成角的余弦值为（    ）A． B． C． D．【答案】C【解析】设的中点，以，，为，，轴建立坐标系，则，，，，则，，设与成的角为，则，故选C． 2．在三棱柱中，底面是边长为1的正三角形，侧棱底面，点在棱上，且，若与平面所成的角为，则的值是（    ）A． B． C． D．【答案】D【解析】如图，建立空间直角坐标系，易求点．平面的一个法向量是，∴，则．故选D．3．如图，圆锥的底面直径，高，为底面圆周上的一点，，则空间中两条直线与所成的角为（    ）A． B． C． D．【答案】B【解析】取中点，以为原点，为轴，为轴，为轴，建立空间直角坐标系，如图所示， ∵圆锥的底面直径，高，为底面圆周上的一点，，∴可得，，，，则，，设空间两条直线与所成的角为，∴，∴，即直线与所成的角为，故选B．4．已知四棱锥的底面是边长为2的正方形，，平面平面，是的中点，是的中点，则直线与平面所成角的正弦值是（    ）A． B． C． D．【答案】D【解析】由题可知，，，，则，，∵是的中点，∴，设平面的法向量，直线与平面所成角为，则可取，，故选D．5．如图，在直三棱柱中，，，点与分别是和的中点，点与分别是和上的动点．若，则线段长度的最小值为（    ）A． B． C． D．【答案】A【解析】建立如图所示的空间直角坐标系，则，，，，，则，，由于，∴，∴，故，∴当时，线段长度取得最小值，且最小值为．故选A．6．如图，点分别在空间直角坐标系的三条坐标轴上，，平面的法向量为，设二面角的大小为，则（    ）A． B． C． D．【答案】C【解析】由题意可知，平面的一个法向量为：，由空间向量的结论可得：．故选C．7．如图所示，五面体中，正的边长为1，平面，，且．设与平面所成的角为，，若，则当取最大值时，平面与平面所成角的正切值为（    ）A． B．1 C． D．【答案】C【解析】如图所示，建立如图所示的空间直角坐标系，则，，，，取的中点，则，则平面的一个法向量为，由题意，又由，∴，解得，∴的最大值为，当时，设平面的法向量为，则，取，由平面的法向量为，设平面和平面所成的角为，则，∴，∴，故选C．8．已知三棱柱的侧棱与底面边长都相等，在底面内的射影为的中心，则与底面所成角的正弦值等于（    ）A． B． C． D． 【答案】B【解析】如图，设在平面内的射影为，以为坐标原点，、分别为轴、轴建立空间直角坐标系如图．设边长为1，则，，∴．又平面的法向量为．设与底面所成角为，则．故直线与底面所成角的正弦值为．故选B．9．如图，四棱锥中，平面，底面为直角梯形，，，，点在棱上，且，则平面与平面的夹角的余弦值为（    ）A． B． C． D．【答案】B【解析】以为坐标原点，以、、所在直线为、、轴，建立空间直角坐标系，则，，，，，∴，设平面的一个法向量为，则，取，得，平面的法向量为，∴．∴平面与平面的夹角的余弦值为．故选B．10．在正方体中，直线与平面所成角的余弦值为（    ）A． B． C． D．【答案】C【解析】分别以，，为，，轴建立如图所示空间直角坐标系：设正方体的棱长为1，可得，，，，∴，，，设是平面的一个法向量，∴，即，取，得，∴平面的一个法向量为，设直线与平面所成角为，∴；∴，即直线与平面所成角的余弦值是．故选C．11．已知四边形，，，现将沿折起，使二面角的大小在内，则直线与所成角的余弦值取值范围是（    ）A． B． C． D．【答案】A【解析】取中点，连结，，∵．，∴，，且，，∴是二面角的平面角，以为原点，为轴，为轴，过点作平面的垂线为轴，建立空间直角坐标系，，，，设二面角的平面角为，则，连、，则，，∴，，设、的夹角为，则，∵，∴，故，∴．故选A．12．正方体中，点在上运动（包括端点），则与所成角的取值范围是（    ）A． B． C． D．【答案】D【解析】以点为原点，、、所在直线分别为轴建立空间直角坐标系，设正方体棱长为1，点坐标为，则，，设、的夹角为，则，∴当时，取最大值，．当时，取最小值，．∵，∴与所成角的取值范围是．故选D．二、填空题13．如图，在直三棱柱中，，，是的中点，则异面直线与所成角的余弦值为________．【答案】【解析】在直三棱柱中，，，是的中点，∴，．以为原点，为轴，为轴，过作的垂线为轴，建立空间直角坐标系，则，，，，∴，，设异面直线与所成角为，则．∴异面直线与所成角的余弦值为．14．已知四棱锥的底面是菱形，，平面，且，点是棱的中点，在棱上，若，则直线与平面所成角的正弦值为__________．【答案】【解析】以点建立如图所示的空间直角坐标系，设菱形的边长为2，则， ，，∴，平面的一个法向量为，则，即直线与平面所成角的正弦值为．15．设，是直线，，是平面，，，向量在上，向量在上，，，则，所成二面角中较小的一个的余弦值为________．【答案】【解析】由题意，∵，，∴，∵，，向量在上，向量在上，∴，所成二面角中较小的一个余弦值为，故答案为．16．在四棱锥中，底面为平行四边形，平面，，，，，则当变化时，直线与平面所成角的取值范围是__________．【答案】【解析】如图建立空间直角坐标系，得，，，，设平面的法向量，，，∴，得，又，∴，∴，∴，则三、解答题17．如图所示：四棱锥，底面为四边形，，，，平面平面，，，，（1）求证：平面；（2）若四边形中，，是否在上存在一点，使得直线与平面所成的角的正弦值为，若存在，求的值，若不存在，请说明理由．【答案】（1）见解析；（2）存在，．【解析】（1）设，连接，为中点又，平面平面，平面平面平面，而平面在中，由余弦定理得，，而平面．（2）过作垂线记为轴，为轴，为轴建立空间直角坐标系：，，，，，，设，设平面法向量为，∴，取，设与平面所成角为，，解，．      18．如图，在斜三棱柱中，底面是边长为2的正三角形，，，．（1）求证：平面平面；（2）求二面角的正弦值．【答案】（1）见解析；（2）．【解析】（1）取的中点，连接，，∵底面是边长为2的正三角形，∴，且，∵，，，∴，∴，又∵，∴，∴，又∵，∴平面，又∵平面，∴平面平面．（2）如图所示，以点为坐标原点，为轴，为轴，为轴建立空间直角坐标系，其中，则，，，，∴，，，设为平面的法向量，则，即，令，得；设为平面的法向量，则，即，令，得；∴，∴二面角的正弦值为．