核心素养测评(第七章第43节利用空间向量研究直线、平面的位置关系)

核心素养测评(时间:45分钟分值:90分)【基础过关练】一、单选题1.(5分)设u=(-5,2,t),v=(6,-5,4)分别是平面α,β的法向量.若α⊥β,则t= ()A.7 B.8 C.9 D.10【解析】选D.由已知条件可得u·v=(-5)×6+2×(-5)+4t=0,解得t=10.2.(5分)已知平面α内有一个点A(2,-1,2),α的一个法向量为n=(3,1,2),则下列点P中,在平面α内的是 ()A.(1,-1,1) B.1,3,32 【解析】选B.由题意可知符合条件的点P应满足·n=0,选项A,=(2,-1,2)-(1,-1,1)=(1,0,1),·n=3×1+1×0+2×1=5≠0,故不在平面α内;同理可得:选项B,=(1,-4,12),·n=0,故在平面α内;选项C,=(1,2,12),·n=6≠0,故不在平面α内;选项D,=(3,-4,72),·n=12≠0,故不在平面α内.3.(5分)已知直线l的一个方向向量为m=(x,2,-5),平面α的一个法向量为n=(3,-1,2),若l∥α,则x等于 ()A.-6 B.6 C.-4 D.4【解析】选D.若l∥α,则m⊥n,从而m·n=0,即3x-2-10=0,解得x=4.4.(5分)已知A(3,2,0),B(0,4,0),C(3,0,2),则平面ABC的一个法向量的坐标是 ()A.(1,1,1) B.(2,2,3) C.(2,3,3) D.(33,-33,【解析】选C.由题可知=(-3,2,0),=(0,-2,2).设n=(x,y,z)是平面ABC的法向量,则即-3可得x=显然(1,1,1),(2,2,3),(33,-33,33)不是平面ABC的法向量的坐标,(2,3,3)是平面ABC5.(5分)在正三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1=2AB=2,E为AB的中点,F为线段BB1上的一点,且A1C⊥EF,则B1FFB=A.10 B.12 C.15 D.20【解析】选C.取A1B1的中点E1,连接EE1,EC,易知EC,EB,EE1两两垂直,以E为坐标原点,EC,EB,EE1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E(0,0,0),C(32,0,0)A1(0,-12,2),=(32,12,-2设F(0,12,λ)(0≤λ≤2),则=(0,12,λ)由A1C⊥EF,得·=14-2λ=0,解得λ=18,故B1FFB=二、多选题6.(5分)已知点P是平行四边形ABCD所在的平面外一点,且=(2,-1,-4),=(4,2,0),=(-1,2,-1),则 ()A.AP⊥ABB.AP⊥ADC.是平面ABCD的法向量D.∥【解析】选ABC.因为·=(2,-1,-4)·(-1,2,-1)=0,·=(4,2,0)·(-1,2,-1)=0,所以AB⊥AP,AD⊥AP,则选项A,B正确.又与不平行,所以是平面ABCD的法向量,则选项C正确.由于=-=(2,3,4),=(-1,2,-1),所以与不平行,故选项D错误.7.(5分)如图,在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为BB1的中点,F为A1D1的中点,如图所示建立空间直角坐标系,则下列说法正确的有()A.DB1=32B.向量与所成角的余弦值为155C.平面AEF的一个法向量是(4,-1,2)D.A1D⊥BD1【解析】选BCD.根据空间直角坐标系D-xyz,可知D(0,0,0),A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,2,0),A1(2,0,2),B1(2,2,2),C1(0,2,2),D1(0,0,2),由于E为BB1的中点,F为A1D1的中点,所以E(2,2,1),F(1,0,2),故DB1=||=22+22+22=2对于B,因为=(0,2,1),=(-2,2,2),所以||=5,||=23,故cos<,>==4+25×23=155,故B正确对于C,设平面AEF的法向量为n=(x,y,z),因为=(0,2,1),=(-1,0,2),所以,整理得y=-12zx=2z,令x=4,可得y=-1,z=2,对于D,由于=(-2,0,-2),=(-2,-2,2),故·=0,故A1D⊥BD1,故D正确.【加练备选】(多选题)以下命题正确的是 ()A.直线l的方向向量为a=(1,-1,2),直线m的方向向量b=(1,2,1),则l⊥mB.直线l的方向向量a=(0,1,-1),平面α的法向量n=(1,-1,-1),则l⊥αC.两个不同平面α,β的法向量分别为n1=(2,-1,0),n2=(-4,2,0),则α∥βD.平面α经过三点A(1,0,-1),B(0,1,0),C(-1,2,0),向量n=(1,u,t)是平面α的法向量,则u+t=1【解析】选CD.直线l的方向向量a=(1,-1,2),直线m的方向向量b=(1,2,1),a·b=(1,-1,2)·(1,2,1)=1,则l与m不垂直,所以A不正确;直线l的方向向量a=(0,1,-1),平面α的法向量n=(1,-1,-1),a·n=(0,1,-1)·(1,-1,-1)=0,则l∥α或l⊂α,所以B不正确;两个不同平面α,β的法向量分别为n1=(2,-1,0),n2=(-4,2,0),n1=-12n2=(2,-1,0),则α∥β,所以C正确平面α经过三点A(1,0,-1),B(0,1,0),C(-1,2,0),向量n=(1,u,t)是平面α的法向量,可得,则u+t=1,所以D正确.三、填空题8.(5分)已知平面α内的三点A(0,0,1),B(0,1,0),C(1,0,0),平面β的一个法向量n=(-1,-1,-1),则不重合的两个平面α与β的位置关系是______________.

【解析】=(0,1,-1),=(1,0,-1).设平面α的法向量为m=(x,y,z),m·=0,得x·0+y-z=0,即y=z,由m·=0,得x-z=0,即x=z,取x=1,所以m=(1,1,1),m=-n,所以m∥n,所以α∥β.答案:α∥β9.(5分)已知=(1,5,-2),=(3,1,z),若⊥,=(x-1,y,-3),且BP⊥平面ABC,则x+y+z=________.

【解析】因为⊥,所以·=3+5-2z=0,所以z=4,所以=(3,1,4),又因为BP⊥平面ABC,AB,BC⊂平面ABC,所以BP⊥AB,BP⊥BC,所以,解得x=40因此x+y+z=537答案:53四、解答题10.(10分)如图,已知AA1⊥平面ABC,BB1∥AA1,AB=AC=3,BC=25,AA1=7,BB1=27,点E和点F分别为BC和A1C的中点.求证:(1)EF∥平面A1B1BA;(2)平面AEA1⊥平面BCB1.【证明】因为AB=AC,E为BC的中点,所以AE⊥BC.因为AA1⊥平面ABC,AA1∥BB1,所以以E为原点,过E作平行于BB1的直线为z轴,EC,EA所在直线分别为x轴、y轴,建立空间直角坐标系Exyz,如图所示,因为AB=3,BE=5,所以AE=2,所以E(0,0,0),C(5,0,0),A(0,2,0),B(-5,0,0),A1(0,2,7),则F(52,1,72(1)=(52,1,72),=(-5,-2,0),=(0,0,7).设平面A1B1BA的法向量为n=(x,y,z),则即-5x-所以n=(-2,5,0)是平面A1B1BA的一个法向量.因为·n=52×(-2)+1×5+72×0=0,所以⊥n.又EF⊄平面A1B1BA,所以EF∥平面A1B1BA.(2)因为AA1⊥平面ABC,EC⊂平面ABC,所以AA1⊥EC,又EC⊥AE,AE∩AA1=A,AE,AA1⊂平面AEA1,所以EC⊥平面AEA1,所以=(5,0,0)为平面AEA1的一个法向量.同理易证EA⊥平面BCB1,所以=(0,2,0)为平面BCB1的一个法向量.因为·=0,所以⊥,故平面AEA1⊥平面BCB1.【能力提升练】11.(5分)(2024·银川模拟)如图,在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F分别是棱AA1,CC1的中点,过点E作平面α,使得α∥平面BDF,且平面α与A1C1交于点M,则FM= ()A.32 B.62 C.3 D【解析】选C.如图,以D为坐标原点建立空间直角坐标系,则D(0,0,0),B(2,2,0),F(0,2,1),E(2,0,1),A1(2,0,2),C1(0,2,2),可得=(2,2,0),=(0,2,1),=(-2,2,0),=(0,0,1),=(-2,2,0),设平面BDF的法向量为n=(x,y,z),则,令y=-1,则x=1,z=2,可得n=(1,-1,2),因为α∥平面BDF,可知平面α的法向量为n=(1,-1,2),设=λ=(-2λ,2λ,0),可得=+=(-2λ,2λ,1),可得n·=-2λ-2λ+2=0,解得λ=12,则=(-1,1,1),可得=-=(1,-1,1),所以=1+1+1=3.12.(5分)(多选题)如图,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=BC=6,CC1=4,AC⊥BC,M为棱A1C1的中点;E为棱BB1上的动点(含端点),过点A,E,M作三棱柱的截面α,且α交B1C1于Q,则 ()A.线段ME的最小值为45B.棱BB1上不存在点E,使得B1C⊥平面AEMC.棱BB1上存在点E,使得AE⊥MED.当E为棱BB1的中点时,ME=7【解析】选ABD.如图,以CA,CB,CC1为x,y,z轴建立空间直角坐标系,则A(6,0,0),B(0,6,0),C1(0,0,4),A1(6,0,4),B1(0,6,4),M(3,0,4),由于BB1与底面A1B1C1垂直,因此当E与B1重合时,ME在平面A1B1C1内,BB1⊥ME,此时ME最小为62+32=45=3=(0,-6,-4),=(-3,0,4),若·=0×(-3)+(-6)×0+(-4)×4=-16≠0,B1C与AM不垂直,因此B1C不可能与平面AME垂直,B正确;设E(0,6,t)(0≤t≤4),则=(-6,6,t),=(-3,6,t-4),若AE⊥ME,则·=18+36+t(t-4)=0,即t2-4t+54=(t-2)2+50=0,此方程无实数解,因此棱BB1上不存在点E,使得AE⊥ME,C不正确;E是BB1中点时,E(0,6,2),ME=(3-0【变式备选】如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=3AD=3AA1=3,点P为线段A1C上的动点,则下列结论不正确的是 ()A.当=2时,B1,P,D三点共线B.当⊥时,⊥C.当=3时,D1P∥平面BDC1D.当=5时,A1C⊥平面D1AP【解析】选B.如图,建立空间直角坐标系,则A1(1,0,1),C(0,3,0),D1(0,0,1),A(1,0,0),B1(1,3,1),D(0,0,0),B(1,3,0),C1(0,3,1),当=2时,=(-12,32,-12),=+=(12,32,12),而=(1,3,1),所以=12,所以B1,P,D三点共线,A正确,不符合题意;设=λ,=(-1,3,-1),则=+=+λ=(-λ,3λ,1-λ).当⊥时,有·=5λ-1=0,所以λ=15,所以=(-15,35,45),=+=(45,35,-1所以·=(-15,35,45)·(45,35,-15所以与不垂直,B不正确,符合题意;当=3时,=(-13,33,-13),=-=(23,33,-13),又=(1,3,0),=(0,3,1),所以=23-13,所以,,共面,又D1P⊄平面BDC1,所以D1P∥平面BDC1,C正确,不符合题意;当=5时,=(-15,35,-15),从而=(-15,35,45),又·=(-1,0,1)·(-1,3,-1)=0,所以A1C⊥AD1,·=(-15,35,45)·(-1,3,-1)=0,所以A1C⊥AP,因为AD1∩AP=A,AD1,AP⊂平面D1AP,所以A1C⊥平面D1AP,D正确,不符合题意13.(5分)如图,圆锥的轴截面SAB是边长为2的等边三角形,O为底面中心,M为SO的中点,动点P在圆锥底面内(包括圆周).若AM⊥MP,则点P在圆锥底面上形成的轨迹的长度为___________.

【解析】如图,建立空间直角坐标系,则A(0,-1,0),B(0,1,0),S(0,0,3),M(0,0,32)设P(x,y,0),-1≤x≤1,-1≤y≤1,则=(0,1,32),=(x,y,-32).由于AM⊥MP,所以(0,1,32)·(x,y,-32)=0,即y=34,此为P点的轨迹方程,其在底面圆内的长度为21答案:714.(10分)(2024·长沙模拟)如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,PA=2,底面ABCD为直角梯形,∠BAD=90°,AB=2,CD=AD=1,N是PB的中点,点M,Q分别在线段PD与AP上,且=λ,=μ.(1)若平面MNQ∥平面ABCD,求λ,μ的值;(2)若MQ∥平面PBC,求μ2λ【解析】(1)若平面MNQ∥平面ABCD,平面PAB∩平面ABCD=AB,平面PAB∩平面MNQ=QN,所以QN∥AB,又因为N为PB的中点,所以Q为PA的中点,同理M为PD的中点,所以λ=μ=1.(2)因为∠BAD=90°,PA⊥底面ABCD,如图,以A为原点,AD,AB,AP所在直线分别为x轴、y轴、z轴正半轴建立空间直角坐标系,故P(0,0,2),B(0,2,0),C(1,1,0),D(1,0,0),则=(0,2,-2),=(1,1,-2),设平面PBC的法向量为t=(x,y,z),则取y=1,可得t=(1,1,1).因为=λ,=μ,所以M(11+λ,0,2λ1+λ),Q则=(-11+λ,0,2μ1+μ因为MQ∥平面PBC,所以⊥t,即·t=0,所以(-11+λ)×1+0×1+(2μ1+μ-2λ1+所以μ-(1+2λ)(1+所以μ2λ=(1+2λ)2λ当且仅当4λ=1λ,即λ=12时取等号,所以μ2【变式备选】(2024·常州模拟)如图,直角梯形ABCD与等腰直角三角形ABP所在的平面互相垂直,且AB∥CD,AB⊥BC,AP⊥PB,AB=2,BC=CD=1.(1)求证:AB⊥PD;【解析】(1)取AB的中点为O,连接DO,PO,因为PA=PB,所以PO⊥AB,又因为底面ABCD为直角梯形,且AB⊥BC,AB∥CD,AB=2,BC=CD=1,所以四边形OBCD为正方形,则DO⊥AB,又因为DO∩PO=O,且DO,PO⊂平面POD,所以AB⊥平面POD,又PD⊂平面POD,所以AB⊥PD;(2)求直线PC与平面ABP所成角的余弦值;【解析】(2)PO⊥AB且PO⊂平面PAB,又因为平面PAB⊥平面ABCD,且平面PAB∩平面ABCD=AB,所以PO⊥平面ABCD,则PO⊥DO,由OA,OD,OP两两垂直,以OD,OA,OP所在直线分别为x,y,z轴的正方向建立空间直角坐标系Oxyz,因为△PAB为等腰直角三角形,且AB=2,BC=CD=1,所以OA=OB=OD=OP=1,则O(0,0,0),A(0,1,0),B(0,-1,0),C(1,-1,0),D(1,0,0),P(0,0,1),即=(1,-1,-1),平面PAB的一个法向量为=(1,0,0),设直线PC与平面PAB所成的角为θ,则sinθ=|cos<,>|==33,即cosθ=1-sin2θ=63,则所求直线PC与平面ABP(3)线段PA上是否存在点E,使得PC∥平面EBD?若存在,求出AEAP的值;若不存在,请说明理由【解析】(3)线段PA上存在点E,且当AEAP=23时,使得PC∥平面EBD,由=13=(0,13,-13),得E(0,13,23),则=(0,-43,-23设平面EBD的法向量为n=(x,y,z),则,即-43y-23z=0x+y=0,取y=-1,则x=1,z=2,即n又因为PC⊄平面EBD,所以PC∥平面EBD,即点E满足AEAP=23时,有PC∥【创新思维练】15.(5分)正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,动点M在线段