2020年高考数学(理)重难点专练03-空间向量与立体几何(解析版)

2020年高考数学（理）重难点03空间向量与立体几何【高考考试趋势】立体几何在高考数学是一个必考知识点，一直在高中数学中占有很大的分值，未来的高考中立体几何也会持续成为高考的一个热点，理科高考中立体几何主要考查三视图的相关性质利用，简单几何体的体积，表面积以及外接圆问题.另外选择部分主要考查在点线面位置关系，简单几何体三视图.选择题主要还是以几何体的基本性质为主，解答题部分主要考查平行，垂直关系以及二面角问题.前面的重点专题已经对立体几何进行了一系列详细的说明，本专题继续加强对高考中立体几何出现的习题以及对应的题目类型进行必要的加强.本专题包含了高考中几乎所有题型，学完本专题以后，对以后所有的立体几何你将有一个更加清晰的认识.【知识点分析以及满分技巧】基础知识点考查：一般来说遵循三短一长选最长.要学会抽象问题具体会，将题目中的直线转化成显示中的具体事务，例如立体坐标系可以看做是一个教室的墙角有关外接圆问题：一般图形可以采用补形法，将几何体补成正方体或者是长方体，再利用不在同一个平面的四点确定一个立体平面原理，从而去求.内切圆问题：转化成正方体的内切圆去求.求点到平面的距离问题：采用等体积法.求几何体的表面积体积问题：应注意巧妙选取底面积与高.对于二面角问题应采用建立立体坐标系去求.但是坐标系要注意采用左手系务必要标记准确对应点以及法向量对应的坐标.【常见题型限时检测】（建议用时：35分钟）一、单选题1．（2019·遵义航天高级中学高考模拟（理））一个几何体的三视图如图所示，则该几何体的体积为（）A． B． C． D．8【答案】B【解析】由图可知该几何体底面积为8，高为2的四棱锥，如图所示：∴该几何体的体积故选B【点睛】：思考三视图还原空间几何体首先应深刻理解三视图之间的关系，遵循“长对正，高平齐，宽相等”的基本原则，其内涵为正视图的高是几何体的高，长是几何体的长；俯视图的长是几何体的长，宽是几何体的宽；侧视图的高是几何体的高，宽是几何体的宽.2．（2019·天津高考模拟（理））已知四面体的四个面都为直角三角形，且平面，，若该四面体的四个顶点都在球的表面上，则球的表面积为（）A． B． C． D．【答案】D【解析】【分析】由已知中的垂直关系可将四面体放入正方体中，求解正方体的外接球表面积即为所求的四面体外接球的表面积；利用正方体外接球半径为其体对角线的一半，求得半径，代入面积公式求得结果.【详解】且为直角三角形又平面，平面平面由此可将四面体放入边长为的正方体中，如下图所示：正方体的外接球即为该四面体的外接球正方体外接球半径为体对角线的一半，即球的表面积：本题正确选项：【点睛】本题考查多面体的外接球表面积的求解问题，关键是能够通过线面之间的位置关系，将所求四面体放入正方体中，通过求解正方体外接球来求得结果.3．（2019·河南高考模拟（理））如图，点P在正方体的面对角线上运动，则下列四个结论：三棱锥的体积不变；平面；；平面平面．其中正确的结论的个数是A．1个 B．2个 C．3个 D．4个【答案】C【解析】【分析】利用空间中线线、线面、面面间的位置关系求解．【详解】对于，由题意知，从而平面，故BC上任意一点到平面的距离均相等，所以以P为顶点，平面为底面，则三棱锥的体积不变，故正确；对于，连接，，且相等，由于知：，所以面，从而由线面平行的定义可得，故正确；对于，由于平面，所以，若，则平面DCP，，则P为中点，与P为动点矛盾，故错误；对于，连接，由且，可得面，从而由面面垂直的判定知，故正确．故选：C．【点睛】本题考查命题真假的判断，解题时要注意三棱锥体积求法中的等体积法、线面平行、垂直的判定，要注意使用转化的思想．4．（2019·贵州高考模拟（理））设是两条不同的直线，是两个不同的平面，有下列四个命题：①若，，则；②若，，则；③若，，，则；④若，，，则其中正确命题的序号是（）A．①② B．①③ C．②③ D．③④【答案】C【解析】①两个面垂直，推不出面中任意直线和另一个面垂直，错误；故排除A、B选项，对于②，两个平行平面，其中一个平面内的任意直线都和另一个平面平行，故正确，所以选C.5．（2019·福建高考模拟（理））在三棱锥中，，，，，平面平面，若球是三棱锥的外接球，则球的半径为（）．A． B． C． D．【答案】A【解析】【分析】取AB中点D，AC中点E，连PD，ED，得E为△外接圆的圆心，且OE∥平面，然后求出△的外接圆半径和球心到平面的距离等于，由勾股定理得，即可得出答案.【详解】解：取AB中点D，AC中点E，连PD，ED因为，所以E为△外接圆的圆心因为OE∥PD，OE不包含于平面，所以OE∥平面因为平面平面，，得PDAB，EDAB所以PD平面，ED平面且，所以球心到平面的距离等于在△中，，，所以，所以△得外接圆半径，即由勾股定理可得球的半径故选：A.【点睛】本题考查了三棱锥的外接球问题，经常用球中勾股定理解题，其中是外接球半径，是球心到截面距离，是截面外接圆半径.二、解答题6．（2019·山东高考模拟（理））如图，在四棱锥中，底面，底面是直角梯形，，.（1）证明：当点在上运动时，始终有平面平面；（2）求锐二而角的余弦值.【答案】（1）证明见解析；（2）.【解析】【分析】（1）由底面ABCD，证得，又由勾股定理，得，利用线面垂直的判定定理，得到平面PBC，再由面面垂直的判定定理，可得平面平面，即可得到结论；（2）分别以CD，CF，CP所在直线为x，y，z轴建立空间直角坐标系，求得平面和平面的法向量，利用向量的夹角公式，即可求解．【详解】（1）由题意，因为底面ABCD，平面ABCD，所以，又因为，所以，，所以，所以，从而得到．又平面PBC，平面PBC，，所以平面PBC，又平面，所以平面平面，所以当点E在PB上运动时，始终有平面平面PBC.（2）由条件知底面ABCD，且，所以过点C作交AB于点F，分别以CD，CF，CP所在直线为x，y，z轴建立空间直角坐标系（如图所示），所以，，，.由（1）知为平面PBC的一个法向量，因为，，设平面PAB的一个法向量为，则，即，令，则，所以，所以，故锐二面角的余弦值．【点睛】本题考查了线面垂直与面面垂直的判定与证明，以及空间角的求解问题，意在考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力，解答中熟记线面位置关系的判定定理和性质定理，通过严密推理是线面位置关系判定的关键，同时对于立体几何中角的计算问题，往往可以利用空间向量法，通过求解平面的法向量，利用向量的夹角公式求解.7（2017·广东高考模拟（理））如图，在四棱锥中，，平面，.(1)设点为的中点，求证：平面；(2)线段上是否存在一点，使得直线与平面所成的角的正弦值为？若存在，试确定点的位置；若不存在，请说明理由.8．（2019·天津市新华中学高考模拟（理））如图所示的几何体中，垂直于梯形所在的平面，为的中点，，四边形为矩形，线段交于点.（1）求证：平面；（2）求二面角的正弦值；（3）在线段上是否存在一点，使得与平面所成角的大小为？若存在，求出的长；若不存在，请说明理由.【答案】（1）见解析（2）（3）在线段上存在一点满足题意，且【解析】【分析】(1)由题意结合线面平行的判定定理即可证得题中的结论；(2)建立空间直角坐标系，利用两个半平面的法向量可得二面角的余弦值，然后利用同角三角函数基本关系可得二面角的正弦值；(3)假设点Q存在，利用直线的方向向量和平面的法向量计算可得点Q的存在性和位置.【详解】（1）因为四边形为矩形，所以为的中点.连接，在中，分别为的中点，所以，因为平面，平面，所以平面.易知两两垂直，如图以为原点，分别以所在直线为轴，建立空间直角坐标系.则，所以.设平面的法向量为，则即解得令，得所以平面的一个法向量为.设平面的法向量为，，据此可得，则平面的一个法向量为，，于是.故二面角的正弦值为.（3）设存在点满足条件.由，设，整理得，则.因为直线与平面所成角的大小为，所以解得，由知，即点与重合.故在线段上存在一点，且.【点睛】本题的核心在考查空间向量的应用，需要注意以下问题：(1)求解本题要注意两点：一是两平面的法向量的夹角不一定是所求的二面角，二是利用方程思想进行向量运算，要认真细心，准确计算．(2)设分别为平面α，β的法向量，则二面角θ与互补或相等.求解时一定要注意结合实际图形判断所求角是锐角还是钝角．9．（2019·山东高考模拟（理））如图，在四棱锥中，已知平面，为等边三角形，，，与平面所成角的正切值为.(Ⅰ)证明：平面；(Ⅱ)若是的中点，求二面角的余弦值.【答案】（Ⅰ）见解析.（Ⅱ）.【解析】【分析】(Ⅰ)先证明为与平面所成的角，于是可得，于是．又由题意得到，故得，再根据线面平行的性质可得所证结论．(Ⅱ)取的中点，连接，可证得．建立空间直角坐标系，分别求出平面和平面的法向量，根据两个法向量夹角的余弦值得到二面角的余弦值．【详解】(Ⅰ)证明：因为平面，平面，所以又,,所以平面，所以为与平面所成的角．在中，，所以所以在中，,.又，所以在底面中，,又平面，平面，所以平面．(Ⅱ)解：取的中点，连接，则,由(Ⅰ)知，所以，分别以，，为，，轴建立空间直角坐标系.则，，，所以，，设平面的一个法向量为，由，即，得，令，则．设平面的一个法向量为，由，即，得，令，则．所以，由图形可得二面角为锐角，所以二面角的余弦值为．【点睛】空间向量是求解空间角的有利工具，根据平面的法向量、直线的方向向量的夹角可求得线面角、二面角等，解题时把几何问题转化为向量的运算的问题来求解，体现了转化思想方法的利用，不过解题中要注意向量的夹角和空间角之间的关系，特别是求二面角时，在求得法向量的夹角后，还要通过图形判断出二面角是锐角还是钝角，然后才能得到结论．10．（2018·吉林高考模拟（理））如图，在棱长为2的正方体中，，，，分别是棱，，，的中点，点，分别在棱，上移动，且.（1）当时，证明：直线平面；（2）是否存在，使面与面所成的二面角为直二面角？若存在，求出的值；若不存在，说明理由.【答案】（1）见解析；（2）.【解析】以为原点，射线，，分别为，，轴的正半轴建立如图所示的空间直角坐标系.由已知得，，，，，，，则，，，