2022高考数学一轮总复习课件:综合突破四 立体几何综合问题
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1、综合突破四综合突破四 立体几何综合问题立体几何综合问题 考点一考点一 求空间几何体的表面积与体积求空间几何体的表面积与体积 (2020全国卷)如图,D 为圆锥的顶点,O 是圆锥底面的圆心, ABC 是底面的内接正三角形,P 为 DO 上一点,APC90 (1)证明:平面 PAB平面 PAC; (2)设 DO 2,圆锥的侧面积为 3,求三棱锥 P- ABC 的体积 解:(1)证明:由题设可知,PAPBPC, 由于ABC 是正三角形,故可得PACPAB,PACPBC 又APC90,故APB90,BPC90, 从而 PBPA,PBPC,故 PB平面 PAC,所以平面 PAB平面 PAC (2)设圆锥
2、的底面半径为 r,母线长为 l 由题设可得 rl 3,l2r22 解得 r1,l 3,从而 AB 3 由(1)可得 PA2PB2AB2,故 PAPBPC 6 2 所以三棱锥 P- ABC 的体积为1 3 1 2PAPBPC 1 3 1 2( 6 2 )3 6 8 【点拨】本题考查圆锥及正三棱锥的结构特征,空间线、面 位置关系,证明平面与平面垂直,求锥体的体积注意空间垂直 关系的相互转化 (2020山东新高考模拟改编)如图,四棱锥 S- ABCD 中,底面 ABCD 为矩形, SA平面 ABCD,E,F 分别为 AD,SC 的中点,EF 与平面 ABCD 所成的角为 45 (1)证明:EF 为异
3、面直线 AD 与 SC 的公垂线; (2)若 BC2,EF1 2BC,求点 C 到平面 BEF 的距离 解:(1)证明:连接 AC,BD 交于点 G,连接 EG,FG 因为四边形 ABCD 为矩形,且 E,F 分别为 AD,SC 的中点,所以 EGCD,且 FGSA 又 SA平面 ABCD,所以 GF平面 ABCD,所以 GFAD 又 ADGE,GEGFG,所以 AD平面 GEF,所以 ADEF 因为 EF 与平面 ABCD 所成的角为 45,所以FEG45,从而 GEGF,所以 SAAB 取 SB 的中点 H,连接 AH,FH,则由 F,H 分别为 SC,SB 的中点,从而 FH 綊1 2B
4、C 綊 AE,从而四 边形 AEFH 为平行四边形 又由 SAAB,知 AHSB 又 BC平面 SAB,所以 AHBC 又 SBBCB,从而 AH平面 SBC 从而 EF平面 SBC,SC平面 SBC,从而 EFSC 综上知,EF 为异面直线 AD 与 SC 的公垂线 (2)因为 EF1 2BC,BC2,则 EF1,从而 GEGF 2 2 ,所以 SAAB 2 由(1)知 EF平面 BCF,BCBS,又 F 为 SC 的中点,故 SBCF1 2SSBC 1 2 1 2BCSB1,BF 2,则 SBEF1 2EFBF 2 2 设点 C 到平面 BEF 的距离为 h, 则由 VEBCFVCBEF有
5、, 1 3SBCF EF 1 3SBEF h, 即 1 311 1 3 2 2 h,解得 h 2即点 C 到平面 BEF 的距离为 2 考点二 空间点、线、面的位置关系 (2020全国卷)如图,在长方体 ABCD- A1B1C1D1中,点 E,F 分别在棱 DD1, BB1上,且 2DEED1,BF2FB1证明: (1)当 ABBC 时,EFAC; (2)点 C1在平面 AEF 内 证明:(1)如图,连接 BD,B1D1 因为 ABBC,所以四边形 ABCD 为正方形,故 ACBD 又因为 BB1平面 ABCD,于是 ACBB1所以 AC平面 BB1D1D 由于 EF平面 BB1D1D,所以
6、EFAC (2)如图,在棱 AA1上取点 G,使得 AG2GA1,连接 GD1,FC1,FG, 因为 D1E2 3DD1,AG 2 3AA1,DD1AA1,所以 ED1AG,于是四边形 ED1GA 为 平行四边形,故 AEGD1 因为 B1F1 3BB1, A1G 1 3AA1, BB1AA1, 所以 FGA1B1, FGC1D1, 四边形 FGD1C1 为平行四边形,故 GD1FC1 于是 AEFC1所以 A,E,F,C1四点共面,即点 C1在平面 AEF 内 【点拨】空间点、线、面的位置关系的判断与证明属于必考内容, 且常考常新,难度一般不高,应注意逻辑严密、表述准确,切忌对而 不全,造成
7、隐性失分 (2021江西临川一中高三月考)如图 1,在ABC 中,D,E 分别为 AB,AC 的 中点, O 为 DE 的中点, ABAC2 5, BC4将ADE 沿 DE 折起到A1DE 的位置, 使得平面 A1DE平面 BCED,F 为 A1C 的中点,如图 2 (1)求证:EF平面 A1BD; (2)求证:平面 A1OB平面 A1OC; (3)线段 OC 上是否存在点 G,使得 OC平面 EFG?请说明理由 解:(1)证明:如图,取线段 A1B 的中点 H,连接 HD,HF 因为在ABC 中,D,E 分别为 AB,AC 的中点,所以 DEBC,DE1 2BC 因为 H,F 分别为 A1B
8、,A1C 的中点,所以 HFBC,HF1 2BC, 所以 HFDE,HFDE,所以四边形 DEFH 为平行四边形,所以 EFHD 因为 EF平面 A1BD,HD平面 A1BD,所以 EF平面 A1BD (2)证明:因为在ABC 中,D,E 分别为 AB,AC 的中点,ABAC,所以 ADAE 所以 A1DA1E,又 O 为 DE 的中点, 所以 A1ODE 因为平面 A1DE平面 BCED,且 A1O平面 A1DE, 所以 A1O平面 BCED,所以 COA1O 在OBC 中,BC4,易知 OBOC2 2, 所以 COBO,所以 CO平面 A1OB, 所以平面 A1OB平面 A1OC (3)线
9、段 OC 上不存在点 G,使得 OC平面 EFG 否则,假设线段 OC 上存在点 G,使得 OC平面 EFG, 连接 GE,GF,则必有 OCGF,且 OCGE 在 RtA1OC 中,由 F 为 A1C 的中点,OCGF,得 G 为 OC 的中点 在EOC 中,因为 OCGE,所以 EOEC, 这显然与 EO1,EC 5矛盾 所以线段 OC 上不存在点 G,使得 OC平面 EFG 考点三 求线面角 (2020浙江卷)如图,在三棱台 ABC- DEF 中,平面 ACFD平面 ABC,ACB ACD45,DC2BC (1)证明:EFDB; (2)求直线 DF 与平面 DBC 所成角的正弦值 解:(
10、1)证明:如图,过点 D 作 DOAC,交直线 AC 于点 O,连接 OB 由ACD45,DOAC 得 CD 2CO, 由平面 ACFD平面 ABC 得 DO平面 ABC,所以 DOBC 由ACB45,BC1 2CD 2 2 CO 得 BOBC 所以 BC平面 BDO,故 BCDB 由三棱台 ABC- DEF 得 BCEF,所以 EFDB (2)方法一: 由三棱台 ABC- DEF 得 DFCO,所以直线 DF 与平面 DBC 所成角等于直线 CO 与平面 DBC 所成角,记为 过点 O 作 OGAC,交 AB 于点 G,易知 OC,OD,OG 两两垂直, 如图,以 O 为原点,分别以射线 O
11、G,OC,OD 为 x,y,z 轴的正半轴,建立空间直角坐标 系 O- xyz 设 CD2 2,则 BC 2 由题意知各点坐标如下: O(0,0,0),B(1,1,0),C(0,2,0),D(0,0,2) 因此OC (0,2,0),BC (1,1,0),CD (0,2,2) 设平面 BCD 的一个法向量 n(x,y,z) 由 n BC 0, n CD 0 即 xy0, 2y2z0,可取 n(1,1,1) 所以 sin|cosOC ,n|OC n| |OC |n| 3 3 因此,直线 DF 与平面 DBC 所成角的正弦值为 3 3 方法二: 过点 O 作 OHBD,交直线 BD 于点 H,连接
12、CH 由三棱台 ABC- DEF 得 DFCO, 所以直线 DF 与平面 DBC 所成角等于直线 CO 与平面 DBC 所成角 由 BC平面 BDO 得 OHBC,故 OH平面 BCD,所以OCH 为直线 CO 与 平面 DBC 所成角 设 CD2 2由 DOOC2,BOBC 2,得 BD 6,OH2 3 3 ,所以 sinOCHOH OC 3 3 , 因此,直线 DF 与平面 DBC 所成角的正弦值为 3 3 【点拨】 利用空间向量求直线与平面所成的角,可以有两种方法: 通过平面的法向量来求,即求出斜线的方向向量与平面的法向量所夹的锐 角,取其余角就是斜线和平面所成的角;分别求出斜线和它在平
13、面内的 射影的方向向量,再转化为求这两个方向向量的夹角(或其补角)注意: 直线与平面所成角的取值范围是 0, 2 (2021江西新八校高三二联)如图,在四棱锥 P- ABCD 中,ADBC,ADC PAB90,BCCD1 2ADE 为棱 AD 的中点,异面直线 PA 与 CD 所成的角为 90 (1)在平面 PAB 内找一点 M,使得直线 CM平面 PBE,并说明理由; (2)若二面角 P- CD- A 的大小为 45,求直线 PA 与平面 PCE 所成角的正弦值 解: (1)在梯形 ABCD 中, AB 与 CD 不平行延长 AB, DC, 相交于点 M(M平面 PAB), 点 M 即为所求
14、的一个点 理由如下: 由已知,BCED 且 BCED 所以四边形 BCDE 是平行四边形,从而 CMEB 又 EB平面 PBE,CM平面 PBE, 所以 CM平面 PBE (说明:延长 AP 至点 N,使得 APPN,则所找的点可以是直线 MN 上任意一点) (2)方法一:由已知,CDPA,CDAD,PAADA, 所以 CD平面 PAD于是 CDPD 从而PDA 是二面角 P- CD- A 的平面角所以PDA45 由PAB90,且 PA 与 CD 所成的角为 90,可得 PA平面 ABCD 设 BC1,则在 RtPAD 中,PAAD2 作 AyDC,以 A 为原点,以AD ,AP 的方向分别为
15、 x 轴,z 轴的正方向,建立如图所示 的空间直角坐标系 A- xyz, 则 A(0,0,0),P(0,0,2),C(2,1,0),E(1,0,0) 所以PE (1,0,2),EC (1,1,0),AP (0,0,2) 设平面 PCE 的法向量为 n(x,y,z) 由 n PE 0, n EC 0, 得 x2z0, xy0 令 x2,得 n(2,2,1) 设直线 PA 与平面 PCE 所成角为 , 则 sin|cos n, AP |n AP | |n|AP | 2 22(2)2122 1 3 所以直线 PA 与平面 PCE 所成角的正弦值为1 3 方法二:由已知,CDPA,CDAD,PAADA
16、, 所以 CD平面 PAD,从而 CDPD 所以PDA 是二面角 P- CD- A 的平面角, 所以PDA45, 设 BC1,则在 RtPAD 中,PAAD2 过点 A 作 AHCE,交 CE 的延长线于点 H,连接 PH, 易知 PA平面 ABCD, 从而 PACE,且 PAAHA,于是 CE平面 PAH 又 CE平面 PCE, 所以平面 PCE平面 PAH 过点 A 作 AQPH 于 Q,则 AQ平面 PCE, 所以APH 是 PA 与平面 PCE 所成的角 在 RtAEH 中,AEH45,AE1, 所以 AH 2 2 在 RtPAH 中,PH PA2AH23 2 2 所以 sinAPHA
17、H PH 1 3 考点四 求二面角 (2020全国卷)如图,D 为圆锥的顶点,O 是圆锥底面的圆心,AE 为底面直径, AEADABC 是底面的内接正三角形,P 为 DO 上一点,PO 6 6 DO (1)证明:PA平面 PBC; (2)求二面角 B- PC- E 的余弦值 解:(1)证明:设 DOa,由题设可得 PO 6 6 a,AO 3 3 a,ABa,PAPBPC AO2PO2 2 2 A 因此 PA2PB2AB2,从而 PAPB 又 PA2PC2AC2,故 PAPC因为 PBPCP, 所以 PA平面 PBC (2)由题意,易知 OD,OE,BC 两两垂直,以 O 为坐标原点,与 BC
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