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立体几何中探索性问题的向量解法
立体几何中探索性问题的向量解法
高考中立体几何试题不断出现了一些具有探索性、开放性的试题。
本节课主要研究:立体几何中的存在判断型和位置探究型问题等探索性问题。
一、存在判断型
k,使ka+b与ka-2b互相垂直,若存在,求k的解∵ka+b=k(0,1,0)+(-1,0,1)=(-1,k,1),ka-2b=(2,k,-2),
(ka+b)⊥(ka-2b),
∴(-1,k,1)·(2,k,-2)=k2 -4=0.
则k=-2或k=2.
(ka+b)(ka-2b)=k2a2-ka·b-2b2= k2 -4=0,k=-2或k=2.
xyz.设|AD|=2a,|AB|=2b,∠PDA=.则A(0,0,0)、B(0,2b,0)、C(2a,2b,0)、D(2a,0,0)、P(0,0,2atan)、M(0,b,0)、N(a,b,atan).
∴=(0,2b,0),=(2a,2b,-2atan),=(a,0,atan).
∵·=(0,2b,0)·(a,0,atan)=0,
∴⊥.即AB⊥MN.
MN⊥PC,
·=(a,0,atan)·(2a,2b,-2atan)
=2a2-2a2tan2=0.
∴tan2=1,.
∴tan=1,=45°.
=45°时,MN是直线AB与PC的公垂线.
【
二、位置探究型
3.如图所示。PD垂直于正方形ABCD所在平面,AB=2,E是PB的中点,与夹角的余弦值为。
(1)建立适当的空间坐标系,写出点E的坐标。
(2)在平面PAD内是否存在一点F,使EF⊥平面PCB?
解析:⑴以DA、DC、DP所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,设P(0,0,2m).
则A(2,0,0)、B(2,2,0)、C(0,2,0)、E(1,1,m),
从而=(-1,1,m),=(0,0,2m).
=,得m=1.
所以E点的坐标为(1,1,1).
由于点F在平面PAD内,故可设F(),
由⊥平面PCB得:
且,
即
。
所以点F的坐标为(1,0,0),即点F是DA的中点时,可使EF⊥平面PCB.
【点F在平面PAD上一般可设、计算出后,D点是已知的,即可求出F点。
4、在棱长为a的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F分别是棱BC、CD上的点,且BE=CF.
(1)当E、F在何位置时,B1F⊥D1E;
(2)是否存在点E、F,使A1C⊥面C1EF?
(3)当E、F在何位置时三棱锥C1-CEF的体积取得最大值,并求此时二面角C1-EF-C的大小.
解:(1)以A为原点,以为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,设BE=x,则有
(2)
若A1C⊥面C1EF,则得矛盾,故不存在点E、F,使A1C⊥面C1EF(3)
当时,三棱锥C1—CEF的体积最大,这时,E、F分别为BC、CD的中点。
连接AC交EF于G,则AC⊥EF,由三垂线定理知:C1G⊥EF,
【方法归纳】 立体几何中的点的位置的探求经常借助于空间向量,引入参数,综合已知和结论列出等式,解出参数. 这是立体几何中的点的位置的探求的常用方法.
三、巩固提高
xyz.
因为所有棱长都等于2,所以
A(0,0,0),C(0,2,0),B(,1,0),
B1(,1,2),M(,,0).
点N在侧棱CC1上,可设N(0,2,m)(0≤m≤2),
则=(,1,2),=(,,m),
于是||=2,||=,·=2m-1.
如果异面直线AB1和MN所成的角等于45°,和45°或135°,cos,==,
所以=±.m=-,这与0≤m≤2矛盾.
(湖南高考·理)如图,在底面是菱形的四棱锥P—ABCD中,∠ABC=600,PA=AC=a,PB=PD=,点E在PD上,且PE:ED=2:1.
(I)证明PA⊥平面ABCD;
(II)求以AC为棱,EAC与DAC为面的二面角的大小;
(Ⅲ)在棱PC上是否存在一点F,使BF//平面AEC?证明你的结论.
(Ⅰ)证明 因为底面ABCD是菱形,∠ABC=60°,
所以AB=AD=AC=a, 在△PAB中,
由PA2+AB2=2a2=PB2 知PA⊥AB.
同理,PA⊥AD,所以PA⊥平面ABCD.
(Ⅱ)解 作EG//PA交AD于G,
由PA⊥平面ABCD.
知EG⊥平面ABCD.作GH⊥AC于H,连结EH,
则EH⊥AC,∠EHG即为二面角的平面角.
又PE : ED=2 : 1,所以
从而
(Ⅲ)解法一 以A为坐标原点,直线AD、AP分别为y轴、z轴,过A点垂直平面PAD的直线为x轴,建立空间直角坐标系如图.由题设条件,相关各点的坐标分别为
所以
设点F是棱PC上的点,则
令 得
解得 即 时,
亦即,F是PC的中点时,、、共面.
又 BF平面AE
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