十年高考分類解析與應試策略數(shù)學
第五章 平面向量與直線、平面、簡單幾何體(B)
●考點闡釋
1.向量是數(shù)學中的重要概念,并和數(shù)一樣,也能運算.它是一種工具,用向量的有關知識能有效地解決數(shù)學、物理等學科中的很多問題.
向量法和坐標法是研究和解決向量問題的兩種方法.
坐標表示,使平面中的向量與它的坐標建立了一一對應關系,用“數(shù)”的運算處理“形”的問題,在解析幾何中有廣泛的應用.向量法便于研究空間中涉及直線和平面的各種問題.
2.平移變換的價值在于可利用平移變換,使相應的函數(shù)解析式得到簡化.
●試題類編
一、選擇題
1.(2002上海春,13)若a、b、c為任意向量,m∈R,則下列等式不一定成立的是( )
A.(a+b)+c=a+(b+c) B.(a+b)?c=a?c+b?c
C.m(a+b)=ma+mb D.(a?b)c=a(b?c)
2.(2002天津文12,理10)平面直角坐標系中,O為坐標原點,已知兩點A(3,1),B(-1,3),若點C滿足,其中α、β∈R,且α+β=1,則點C的軌跡方程為( )
A.3x+2y-11=0 B.(x-1)2+(y-2)2=5
C.2x-y=0 D.x+2y-5=0
3.(2001江西、山西、天津文)若向量a=(3,2),b=(0,-1),則向量2b-a的坐標是( )
A.(3,-4) B.(-3,4)
C.(3,4) D.(-3,-4)
4.(2001江西、山西、天津)設坐標原點為O,拋物線y2=2x與過焦點的直線交于A、B兩點,則等于( )
A. B.- C.3 D.-3
5.(2001上海)如圖5―1,在平行六面體ABCD―A1B
A.-a+b+c B. a+b+c
C. a-b+c D.-a-b+c
6.(2001江西、山西、天津理,5)若向量a=(1,1),b=(1,-1),c=(-1,2),則c等于( )
A.-a+b B.a-b
C. a-b D.-a+b
7.(2000江西、山西、天津理,4)設a、b、c是任意的非零平面向量,且相互不共線,則
①(a?b)c-(c?a)b=0 ②|a|-|b|<|a-b| ③(b?c)a-(c?a)b不與c垂直
④(
A.①② B.②③ C.③④ D.②④
8.(1997全國,5)如果直線l沿x軸負方向平移3個單位,再沿y軸正方向平移1個單位后,又回到原來的位置,那么直線l的斜率為( )
A.- B.-
二、填空題
9.(2002上海文,理2)已知向量a和b的夾角為120°,且|a|=2,|b|=5,則(
10.(2001上海春,8)若非零向量α、β滿足|α+β|=|α-β|,則α與β所成角的大小為_____.
11.(2000上海,1)已知向量=(-1,2),=(3,m),若⊥,則m= .
12.(1999上海理,8)若將向量a=(2,1)圍繞原點按逆時針方向旋轉得到向量b,則向量b的坐標為_____.
13.(1997上海,14)設a=(m+1)i-3j,b=i+(m-1)j,(a+b)⊥(a-b),則m=_____.
14.(1996上海,15)已知a+b=2i-8j,a-b=-8i+16j,那么a?b=_____.
15.(1996上海,15)已知O(0,0)和A(6,3)兩點,若點P在直線OA上,且,又P是線段OB的中點,則點B的坐標是_____.
三、解答題
16.(2003上海春,19)已知三棱柱ABC―A1B
(1)證明:三棱柱ABC―A1B
(2)若m=n,求直線CA1與平面A1ABB1所成角的大小.
17.(2002上海春,19)如圖5―3,三棱柱OAB―O
(1)二面角O1―AB―O的大;
(2)異面直線A1B與AO1所成角的大小.
(上述結果用反三角函數(shù)值表示)
18.(2002上海,17)如圖5―4,在直三棱柱ABO―A′B′O′中,OO′=4,OA=4,OB=3,∠AOB=90°,D是線段A′B′的中點,P是側棱BB′上的一點,若OP⊥BD,求OP與底面AOB所成角的大小.(結果用反三角函數(shù)值表示)
圖5―3 圖5―4 圖5―5
19.(2002天津文9,理18)如圖5―5,正三棱柱ABC―A1B
(1)建立適當?shù)淖鴺讼,并寫出點A、B、A1、C1的坐標;
(2)求AC1與側面ABB
20.(2002天津文22,理21)已知兩點M(-1,0),N(1,0),且點P使
成公差小于零的等差數(shù)列.
(1)點P的軌跡是什么曲線?
(2)若點P坐標為(x0,y0),θ為與的夾角,求tanθ.
21.(2001江西、山西、天津理)如圖5―6,以正四棱錐V―ABCD底面中心O為坐標原點建立空間直角坐標系O―xyz,其中Ox∥BC,Oy∥AB,E為VC的中點,正四棱錐底面邊長為
(1)求cos< >;
(2)記面BCV為α,面DCV為β,若∠BED是二面角α―VC―β的平面角,求∠BED.
圖5―6 圖5―7 圖5―8
22.(2001上海春)在長方體ABCD―A1B
(1)求證:A
(2)若規(guī)定兩個平面所成的角是這兩個平面所組成的二面角中的銳角(或直角).則在空間中有定理:若兩條直線分別垂直于兩個平面,則這兩條直線所成的角與這兩個平面所成的角相等.
試根據(jù)上述定理,在AB=4,AD=3,AA1=5時,求平面AEF與平面D1B1BD所成角的大小.(用反三角函數(shù)值表示)
23.(2001上海)在棱長為a的正方體OABC―O′A′B′C′中,E、F分別是棱AB、BC上的動點,且AE=BF.如圖5―8.
(1)求證:A′F⊥C′E.
(2)當三棱錐B′―BEF的體積取得最大值時,求二面角B′―EF―B的大。ńY果用反三角函數(shù)表示)
24.(2000上海春,21)四棱錐P―ABCD中,底面ABCD是一個平行四邊形, ={2,-1,-4},={4,2,0},={-1,2,-1}.
(1)求證:PA⊥底面ABCD;
(2)求四棱錐P―ABCD的體積;
(3)對于向量a={x1,y1,z1},b={x2,y2,z2},c={x3,y3,z3},定義一種運算:
(a×b)?c=x1y2z3+x2y3z1+x3y1z2-x1y3z2-x2y1z3-x3y2z1,試計算(×)?的絕對值的值;說明其與四棱錐P―ABCD體積的關系,并由此猜想向量這一運算(×)?的絕對值的幾何意義.
25.(2000上海,18)如圖5―9所示四面體ABCD中,AB、BC、BD兩兩互相垂直,且AB=BC=2,E是AC中點,異面直線AD與BE所成的角的大小為arccos,求四面體ABCD的體積.
圖5―9 圖5―10 圖5―11
26.(2000天津、江西、山西)如圖5―10所示,直三棱柱ABC―A1B
(1)求的長;
(2)求cos< >的值;
(3)求證:A1B⊥C
27.(2000全國理,18)如圖5―11,已知平行六面體ABCD―A1B
(1)證明:C
(2)假定CD=2,CC1=,記面C1BD為α,面CBD為β,求二面角α―BD―β的平面角的余弦值;
(3)當的值為多少時,能使A
28.(1999上海,20)如圖5―12,在四棱錐P―ABCD中,底面ABCD是一直角梯形,∠BAD=90°,AD∥BC,AB=BC=a,AD=
(1)若AE⊥PD,E為垂足,求證:BE⊥PD;
(2)求異面直線AE與CD所成角的大小.
29.(1995上海,21)如圖5―13在空間直角坐標系中BC=2,原點O是BC的中點,點A的坐標是(,0),點D在平面yOz上,且∠BDC=90°,∠DCB=30°.
(1)求向量的坐標;
(2)設向量和的夾角為θ,求cosθ的值.
●答案解析
1.答案:D
解析:因為(a?b)c=|a|?|b|?cosθ?c而a(b?c)=|b|?|c|?cosα?a而c方向與a方向不一定同向.
評述:向量的積運算不滿足結合律.
2.答案:D
解析:設=(x,y),=(3,1),=(-1,3),α=(3α,α),
β=(-β,3β)
又α+β=(3α-β,α+3β)
∴(x,y)=(3α-β,α+3β),∴
又α+β=1 因此可得x+2y=5
評述:本題主要考查向量法和坐標法的相互關系及轉換方法.
3.答案:D
解析:設(x,y)=2b-a=2(0,-1)-(3,2)=(-3,-4).
評述:考查向量的坐標表示法.
4.答案:B
解法一:設A(x1,y1),B(x2,y2),AB所在直線方程為y=k(x-),則=x1x2+y1y2.又,得k2x2-(k2+2)x+=0,∴x1?x2=,而y1y2=k(x1-)k(x2-)=k2(x1-)(x2-)=-1.∴x1x2+y1y2=-1=-.
解法二:因為直線AB是過焦點的弦,所以y1?y2=-p2=-1.x1?x2同上.
評述:本題考查向量的坐標運算,及數(shù)形結合的數(shù)學思想.
5.答案:A
解析:=c+(-a+b)=-a+b+c
評述:用向量的方法處理立體幾何問題,使復雜的線面空間關系代數(shù)化,本題考查的是基本的向量相等,與向量的加法.考查學生的空間想象能力.
6.答案:B
解析:設c=ma+nb,則(-1,2)=m(1,1)+n(1,-1)=(m+n,m-n).
∴ ∴
評述:本題考查平面向量的表示及運算.
7.答案:D
解析:①平面向量的數(shù)量積不滿足結合律.故①假;
②由向量的減法運算可知|a|、|b|、|a-b|恰為一個三角形的三條邊長,由“兩邊之差小于第三邊”,故②真;
③因為[(b?c)a-(c?a)b]?c=(b?c)a?c-(c?a)b?c=0,所以垂直.故③假;
④(
評述:本題考查平面向量的數(shù)量積及運算律.
8.答案:A
解析:設直線l的方程為y=kx+b(此題k必存在),則直線向左平移3個單位,向上平移1個單位后,直線方程應為y=k(x+3)+b+1即y=kx+3k+b+1
因為此直線與原直線重合,所以兩方程相同.比較常數(shù)項得3k+b+1=b.∴k=-.
評述:本題考查平移變換與函數(shù)解析式的相互關系.
9.答案:13
解析:∵(
評述:本題考查向量的運算關系.
10.答案:90°
解析:由|α+β|=|α-β|,可畫出幾何圖形,如圖5―14.
|α-β|表示的是線段AB的長度,|α+β|表示線段OC的長度,由|AB|=|OC|
∴平行四邊形OACB為矩形,故向量α與β所成的角為90°
評述:本題考查向量的概念,向量的幾何意義,向量的運算.這些知識不只在學習向量時用到,而且在復數(shù)、物理學中也是一些最基本的知識.
11.答案:4
解析:∵={-1,2},={3,m},={4,m-2},又⊥,
∴-1×4+2(m-2)=0,∴m=4.
評述:本題考查向量的概念,向量的運算,向量的數(shù)量積及兩向量垂直的充要條件.
12.答案:()
解析:設a==2+i,b=,由已知、的夾角為,由復數(shù)乘法的幾何意義,得=(cos+isin)=(2+i).
∴b=()
評述:本題考查向量的概念,向量與復數(shù)一一對應關系,考查變通、變換等數(shù)學方法,以及運用數(shù)學知識解決問題的能力.
13.答案:-2
解析:由題意,得
∵(a+b)⊥(a-b),∴(m+2)×m+(m-4)(-m-2)=0,∴m=-2.
評述:本題考查平面向量的加、減法,平面向量的數(shù)量積及運算,兩向量垂直的充要條件.
14.答案:-63
解析:解方程組
得
∴a?b=(-3)×5+4×(-12)=-63.
評述:本題考查平面向量數(shù)量積的坐標表示及求法.
15.答案:(4,2)
解析:設P(x,y),由定比分點公式,
則P(2,1),又由中點坐標公式,可得B(4,2).
16.(1)證明:∵,∴| |=m,
又
∴||=m,||=m,∴△ABC為正三角形.
又?=0,即AA1⊥AB,同理AA1⊥AC,∴AA1⊥平面ABC,從而三棱柱ABC―A1B
(2)解:取AB中點O,連結CO、A1O.
∵CO⊥AB,平面ABC⊥平面ABB
在Rt△CA1O中,CO=m,CA1=,
∴sinCA1O=,即∠CA1O=45°.
17.解:(1)取OB的中點D,連結O1D,
則O1D⊥OB.
∵平面OBB1O1⊥平面OAB,
∴O1D⊥平面OAB.
過D作AB的垂線,垂足為E,連結O1E.
則O1E⊥AB.
∴∠DEO1為二面角O1―AB―O的平面角.
由題設得O1D=,
sinOBA=,
∴DE=DBsinOBA=
∵在Rt△O1DE中,tanDEO1=,
∴∠DEO1=arctan,即二面角O1―AB―O的大小為arctan.
(2)以O點為原點,分別以OA、OB所在直線為x、y軸,過O點且與平面AOB垂直的直線為z軸,建立空間直角坐標系如圖5―15.則
O(0,0,0),O1(0,1,),A(,0,0),A1(,1,),B(0,2,0).
設異面直線A1B與AO1所成的角為α,
則,
cosα=,
∴異面直線A1B與AO1所成角的大小為arccos.
18.解法一:如圖5―16,以O點為原點建立空間直角坐標系.
由題意,有B(3,0,0),D(,2,4),設P(3,0,z),則
={-,2,4},={3,0,z}.
∵BD⊥OP,∴?=-+4z=0,z=.
∵BB′⊥平面AOB,∴∠POB是OP與底面AOB所成的角.
tanPOB=,∴∠POB=arctan.
解法二:取O′B′中點E,連結DE、BE,如圖5―17,則
DE⊥平面OBB′O′,
∴BE是BD在平面OBB′O′內的射影.
又∵OP⊥BD.
由三垂線定理的逆定理,得OP⊥BE.
在矩形OBB′O′中,易得Rt△OBP∽Rt△BB′E,
∴,得BP=.
(以下同解法一)
19.解:(1)如圖5―18,以點A為坐標原點O,以AB所在直線為Oy軸,以AA1所在直線為Oz軸,以經過原點且與平面ABB
由已知,得
A(0,0,0),B(0,a,0),A1(0,0, a),C1().
(2)坐標系如圖,取A1B1的中點M,于是有M(0, a),連AM,MC1有
=(-a,0,0),且=(0,a,0),=(0,0, a)
由于?=0,?=0,所以MC1⊥面ABB
∴AC1與AM所成的角就是AC1與側面ABB
∵=(),=(0,a),
∴?=0++
而||=.
||=.
∴cos<,>=.
所以與所成的角,即AC1與側面ABB
20.解:(1)記P(x,y),由M(-1,0),N(1,0)得=-=(-1-x,-y),
=-=(1-x,-y),=-=(2,0)
∴?=2(1+x),?=x2+y2-1,?=2(1-x).
于是,?,?,?是公差小于零的等差數(shù)列等價于
即
所以,點P的軌跡是以原點為圓心,為半徑的右半圓.
(2)點P的坐標為(x0,y0).
?=x02+y02-1=2.
||?||=.
∴cosθ=
21.解:(1)由題意知B(a,a,0),C(-a,a,0),D(-a,-a,0),E().
由此得,
∴,
.
由向量的數(shù)量積公式有
cos< >=
(2)若∠BED是二面角α―VC―β的平面角,則,則有=0.
又由C(-a,a,0),V(0,0,h),有=(a,-a,h)且,
∴.
即h=a,這時有
cos<>=,
∴∠BED=<>=arccos()=π-arccos
評述:本小題主要考查空間直角坐標的概念、空間點和向量的坐標表示以及兩個向量夾角的計算方法;考查運用向量研究空間圖形的數(shù)學思想方法.
22.(1)證明:因為CB⊥平面A1B,所以A
由A1B⊥AE,AE平面A1B,得A
同理可證A
因為A
所以A
(2)解:過A作BD的垂線交CD于G,因為D1D⊥AG,所以AG⊥平面D1B1BD.
設AG與A
由已知,計算得DG=.
如圖5―19建立直角坐標系,則得點A(0,0,0),G(,3,0),A1(0,0,5),
C(4,3,0).
AG={,3,0},A
因為AG與A
所以cosα=.
由定理知,平面AEF與平面D1B1BD所成角的大小為arccos.
注:沒有學習向量知識的同學可用以下的方法求二面角的平面角.
解法一:設AG與BD交于M,則AM⊥面BB1D1D,再作AN⊥EF交EF于N,連接MN,則∠ANM即為面AEF與D1B1BD所成的角α,用平面幾何的知識可求出AM、AN的長度.
解法二:用面積射影定理cosα=.
評述:立體幾何考查的重點有三個:一是空間線面位置關系的判定;二是角與距離的計算;三是多面體與旋轉體中的計算.
23.建立坐標系,如圖5―20.
(1)證明:設AE=BF=x,則A′(a,0,a),F(a-x,a,0),C′(0,a,a),E(a,x,0)
∴={-x,a,-a},={a,x-a,-a}.
∵?=-xa+a(x-a)+a2=0
∴A′F⊥C′E
(2)解:設BF=x,則EB=a-x
三棱錐B′―BEF的體積
V=x(a-x)?a≤()2=a3
當且僅當x=時,等號成立.
因此,三棱錐B′―BEF的體積取得最大值時BE=BF=,過B作BD⊥EF于D,連
B′D,可知B′D⊥EF.∴∠B′DB是二面角B′―EF―B的平面角在直角三角形BEF中,直角邊BE=BF=,BD是斜邊上的高.∴BD=a.
∴tanB′DB=
故二面角B′―EF―B的大小為arctan2.
評述:本題考查空間向量的表示、運算及兩向量垂直的充要條件.二次函數(shù)求最值或均值不等式求最值,二面角等知識.考查學生的空間想象能力和運算能力.用空間向量的觀點處理立體幾何中的線面關系,把幾何問題代數(shù)化,降低了立體幾何的難度.本題考查的線線垂直等價于?=0,使問題很容易得到解決.而體積的最值除用均值不等式外亦可用二次函數(shù)求最值的方法處理.二面角的平面角的找法是典型的三垂線定理找平面角的方法,計算較簡單,有一定的思維量.
24.(1)證明:∵=-2-2+4=0,∴AP⊥AB.
又∵=-4+4+0=0,∴AP⊥AD.
∵AB、AD是底面ABCD上的兩條相交直線,∴AP⊥底面ABCD.
(2)解:設與的夾角為θ,則
cosθ=
V=||?||?sinθ?||=
(3)解:|(×)?|=|-4-32-4-8|=48它是四棱錐P―ABCD體積的3倍.
猜測:|(×)?|在幾何上可表示以AB、AD、AP為棱的平行六面體的體積(或以AB、AD、AP為棱的直四棱柱的體積).
評述:本題考查了空間向量的坐標表示、空間向量的數(shù)量積、空間向量垂直的充要條件、空間向量的夾角公式和直線與平面垂直的判定定理、棱錐的體積公式等.主要考查考生的運算能力,綜合運用所學知識解決問題的能力及空間想象能力.
25.解:如圖5―21建立空間直角坐標系
由題意,有A(0,2,0)、C(2,0,0)、E(1,1,0)
設D點的坐標為(0,0,z)(z>0)
則={1,1,0},={0,-2,z},
設與所成角為θ.
則?=?cosθ=-2,且AD與BE所成的角的大小為arccos.∴cos2θ=,∴z=4,故|BD|的長度為4.
又VA―BCD=|AB|×|BC|×|BD|=,因此,四面體ABCD的體積為.
評述:本題考查空間圖形的長度、角度、體積的概念和計算.以向量為工具,利用空間向量的坐標表示、空間向量的數(shù)量積計算線段的長度、異面直線所成角等問題,思路自然,解法靈活簡便.
26.解:如圖5―22,建立空間直角坐標系O―xyz.
(1)依題意得B(0,1,0)、N(1,0,1)
∴| |=.
(2)依題意得A1(1,0,2)、B(0,1,0)、C(0,0,0)、B1(0,1,2)
∴={-1,-1,2},={0,1,2,},?=3,||=,||=
∴cos<,>=.
(3)證明:依題意,得C1(0,0,2)、M(,2),={-1,1,2},
={,0}.
∴?=-+0=0,∴⊥,∴A1B⊥C
評述:本題主要考查空間向量的概念及運算的基本知識.考查空間兩向量垂直的充要條件.
27.(1)證明:設=a,=b,=c,則|a|=|b|,∵=b-a,
∴?=(b-a)?c=b?c-a?c=|b|?|c|cos60°-|a|?|c|cos60°=0,
∴C
(2)解:連AC、BD,設AC∩BD=O,連OC1,則∠C1OC為二面角α―BD―β的平面角.
∵(a+b),(a+b)-c
∴?(a+b)?[(a+b)-c]
=(a2+
=(4+2?2?2cos60°+4)-?2?cos60°-?2?cos60°=.
則||=,||=,∴cosC1OC=
(3)解:設=x,CD=2, 則CC1=.
∵BD⊥平面AA
∴只須求滿足:=0即可.
設=a,=b,=c,
∵=a+b+c,=a-c,
∴=(a+b+c)(a-c)=a2+a?b-b?c-c2=-6,令6-=0,得x=1或x=-(舍去).
評述:本題蘊涵著轉化思想,即用向量這個工具來研究空間垂直關系的判定、二面角的求解以及待定值的探求等問題.
28.(1)證明:∵PA⊥平面ABCD,∴PA⊥AB,又AB⊥AD.∴AB⊥平面PAD.又∵AE⊥PD,∴PD⊥平面ABE,故BE⊥PD.
(2)解:以A為原點,AB、AD、AP所在直線為坐標軸,建立空間直角坐標系,則點C、D的坐標分別為(a,a,0),(0,
∵PA⊥平面ABCD,∠PDA是PD與底面ABCD所成的角,∴∠PDA=30°.
于是,在Rt△AED中,由AD=
于是,={-a,a,0}
設與的夾角為θ,則由cosθ=
∴θ=arccos,即AE與CD所成角的大小為arccos.
評述:第(2)小題中,以向量為工具,利用空間向量坐標及數(shù)量積,求兩異面直線所成的角是立體幾何中的常見問題和處理手段.
29.解:(1)過D作DE⊥BC,垂足為E,在Rt△BDC中,由∠BDC=90°,∠DCB=30°,BC=2,得BD=1,CD=,∴DE=CD?sin30°=.
OE=OB-BE=OB-BD?cos60°=1-.
∴D點坐標為(0,-),即向量OD[TX→]的坐標為{0,-}.
(2)依題意:,
所以.
設向量和的夾角為θ,則
cosθ=
.
評述:本題考查空間向量坐標的概念,空間向量數(shù)量積的運算及空間向量的夾角公式.解決好本題的關鍵是對空間向量坐標的概念理解清楚,計算公式準確,同時還要具備很好的運算能力.
●命題趨向與應試策略
對本章內容的考查主要分以下三類:
1.以選擇、填空題型考查本章的基本概念和性質.此類題一般難度不大,用以解決有關長度、夾角、垂直、判斷多邊形形狀等問題.
2.以解答題考查圓錐曲線中的典型問題.此類題綜合性比較強,難度大,以解析幾何中的常規(guī)題為主.
3.向量在空間中的應用(在B類教材中).在空間坐標系下,通過向量的坐標的表示,運用計算的方法研究三維空間幾何圖形的性質.
在復習過程中,抓住源于課本,高于課本的指導方針.本章考題大多數(shù)是課本的變式題,即源于課本.因此,掌握雙基、精通課本是本章關鍵.
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