2020高考数学理二轮课标通用题型练：大题专项（四）立体几何综合问题 含解析.docx

教学资料范本2020高考数学理二轮课标通用题型练：大题专项（四）立体几何综合问题 含解析编 辑：_时 间：_6大题专项(四)立体几何综合问题题型练第68页一、解答题1.如图,已知四棱台ABCD-A1B1C1D1的上、下底面分别是边长为3和6的正方形.A1A=6,且A1A底面ABCD.点P,Q分别在棱DD1,BC上.(1)若P是DD1的中点,证明:AB1PQ;(2)若PQ平面ABB1A1,二面角P-QD-A的余弦值为,求四面体ADPQ的体积.解：由题设知,AA1,AB,AD两两垂直,以A为坐标原点,AB,AD,AA1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,则相关各点的坐标为A(0,0,0),B1(3,0,6),D(0,6,0),D1(0,3,6),Q(6,m,0),其中m=BQ,0m6. (1)证明:若P是DD1的中点,则P又=(3,0,6),于是=18-18=0,所以,即AB1PQ.(2)由题设知,=(6,m-6,0),=(0,-3,6)是平面PQD内的两个不共线向量.设n1=(x,y,z)是平面PQD的一个法向量,则即取y=6,得n1=(6-m,6,3).又平面AQD的一个法向量是n2=(0,0,1),所以cos= .而二面角P-QD-A的余弦值为,因此,解得m=4或m=8(舍去),此时Q(6,4,0).设=(01),而=(0,-3,6),由此得点P(0,6-3,6),所以=(6,3-2,-6).因为PQ平面ABB1A1,且平面ABB1A1的一个法向量是n3=(0,1,0),所以n3=0,即3-2=0,亦即=,从而P(0,4,4).于是,将四面体ADPQ视为以ADQ为底面的三棱锥P-ADQ,则其高h=4.故四面体ADPQ的体积V=SADQh=664=24.2.如图,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=AA1=2,点P,Q分别为A1B1,BC的中点.(1)求异面直线BP与AC1所成角的余弦值;(2)求直线CC1与平面AQC1所成角的正弦值.解：如图,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,设AC,A1C1的中点分别为O,O1,则OBOC,OO1OC,OO1OB,以为基底,建立空间直角坐标系O-xyz.因为AB=AA1=2,所以A(0,-1,0),B(,0,0),C(0,1,0),A1(0,-1,2),B1(,0,2),C1(0,1,2).(1)因为P为A1B1的中点,所以P,从而=(0,2,2),故|cos|=因此,异面直线BP与AC1所成角的余弦值为(2)因为Q为BC的中点,所以Q,因此=(0,2,2),=(0,0,2).设n=(x,y,z)为平面AQC1的一个法向量,则不妨取n=(,-1,1).设直线CC1与平面AQC1所成角为,则sin =|cos|=,所以直线CC1与平面AQC1所成角的正弦值为3.已知四棱锥S-ABCD的底面ABCD是菱形,ABC=,SA底面ABCD,E是SC上的任意一点.(1)求证:平面EBD平面SAC;(2)设SA=AB=2,是否存在点E使平面BED与平面SAD所成的锐二面角的大小为30?如果存在,求出点E的位置;如果不存在,请说明理由.答案：(1)证明SA平面ABCD,BD平面ABCD,SABD.四边形ABCD是菱形,ACBD.ACAS=A,BD平面SAC.BD平面EBD,平面EBD平面SAC.(2)解设AC与BD的交点为O,以OC,OD所在直线分别为x轴、y轴,以过O垂直平面ABCD的直线为z轴建立空间直角坐标系(如图).则点A(-1,0,0),C(1,0,0),S(-1,0,2),B(0,-,0),D(0,0).设点E(x,0,z),则=(x+1,0,z-2),=(1-x,0,-z),设=,E=(0,2,0).设平面BDE的法向量n=(x1,y1,z1),可得即令x1=2,可得z1=1-.故n=(2,0,1-)为平面BDE的一个法向量.同理可得平面SAD的一个法向量为m=(,-1,0).平面BED与平面SAD所成的锐二面角的大小为30,cos 30=,解得=1.E为SC的中点.4.在如图所示的组合体中,ABCD-A1B1C1D1是一个长方体,P-ABCD是一个四棱锥.AB=2,BC=3,点P平面CC1D1D,且PD=PC=(1)证明:PD平面PBC;(2)求PA与平面ABCD所成角的正切值;(3)当AA1的长为何值时,PC平面AB1D?答案：(1)证明如图,建立空间直角坐标系.设棱长AA1=a,则点D(0,0,a),P(0,1,a+1),B(3,2,a),C(0,2,a).于是=(0,-1,-1),=(3,1,-1),=(0,1,-1),所以=0,=0.所以PD垂直于平面PBC内的两条相交直线PC和PB,由线面垂直的判定定理,得PD平面PBC.(2)解因为点A(3,0,a),=(3,-1,-1),而平面ABCD的一个法向量为n1=(0,0,1),所以cos=-所以PA与平面ABCD所成角的正弦值为所以PA与平面ABCD所成角的正切值为(3)解因为点D(0,0,a),B1(3,2,0),A(3,0,a),所以=(3,0,0),=(0,2,-a).设平面AB1D的法向量为n2=(x,y,z),则有令z=2,可得平面AB1D的一个法向量为n2=(0,a,2).若要使得PC平面AB1D,则要n2,即n2=a-2=0,解得a=2.所以当AA1=2时,PC平面AB1D.5.如图,在四棱锥P-ABCD中,PA平面ABCD,ACAD,ABBC,BAC=45,PA=AD=2,AC=1.(1)证明:PCAD;(2)求二面角A-PC-D的正弦值;(3)设E为棱PA上的点,满足异面直线BE与CD所成的角为30,求AE的长.解：如图,以点A为原点建立空间直角坐标系,依题意得点A(0,0,0),D(2,0,0),C(0,1,0),B,P(0,0,2).(1)证明:易得=(0,1,-2),=(2,0,0).于是=0,所以PCAD.(2)=(0,1,-2),=(2,-1,0).设平面PCD的法向量n=(x,y,z).则不妨令z=1,可得n=(1,2,1).可取平面PAC的法向量m=(1,0,0).于是cos=,从而sin=所以二面角A-PC-D的正弦值为(3)设点E的坐标为(0,0,h),其中h0,2.由此得又=(2,-1,0),故cos=,所以=cos 30=,解得h=,即AE=6.已知四边形ABCD满足ADBC,BA=AD=DC=BC=a,E是BC的中点,将BAE沿AE翻折成B1AE,使平面B1AE平面AECD,F为B1D的中点.(1)求四棱锥B1-AECD的体积;(2)证明:B1E平面ACF;(3)求平面ADB1与平面ECB1所成锐二面角的余弦值.答案：(1)解取AE的中点M,连接B1M.因为BA=AD=DC=BC=a,ABE为等边三角形,所以B1M=a.又因为平面B1AE平面AECD,所以B1M平面AECD,所以V=aaasin(2)证明连接ED交AC于点O,连接OF,因为四边形AECD为菱形,OE=OD,所以FOB1E,所以B1E平面ACF.(