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第12讲空间向量与空间角(3大考点+强化训练)
[考情分析]以空间几何体为载体考查空间角是高考命题的重点.空间向量是将空间几何问题坐标化的工具,利用空间向量求平面与平面的夹角或线面角是高考热点,通常以解答题的形式出现,难度中等.
知识导图
考点分类讲解
考点一:异面直线所成的角
设异面直线l,m的方向向量分别为a=(a1,b1,c1),b=(a2,b2,c2),异面直线l与m的夹角为θ.
则(1)θ∈eq\b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)));
(2)cosθ=|cos〈a,b〉|=eq\f(|a·b|,|a||b|)
=eq\f(|a1a2+b1b2+c1c2|,\r(a\o\al(2,1)+b\o\al(2,1)+c\o\al(2,1))\r(a\o\al(2,2)+b\o\al(2,2)+c\o\al(2,2))).
规律方法用向量法求异面直线所成的角的一般步骤
(1)建立空间直角坐标系.
(2)用坐标表示两异面直线的方向向量.
(3)利用向量的夹角公式求出向量夹角的余弦值.
(4)注意两异面直线所成角的范围是eq\b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))),即两异面直线所成角的余弦值等于两向量夹角的余弦值的绝对值.
【例1】(2024高三·全国·专题练习)在直三棱柱(三条侧棱和底面均垂直的三棱柱叫作直三棱柱)中,若,,则异面直线与所成的角等于(????)
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】把三棱柱补成正方体,找到异面直线所成角进而求解.
【详解】根据已知条件可以把直三棱柱补成正方体(如图所示),
连接和,由正方体结构特征知:,
所以,(或其补角)即为异面直线与所成角,
由于为正三角形,所以,
即异面直线与所成角为.
故选:C.
【变式1】(2024·全国·一模)在正四面体的侧面三角形的高线中,垂足不在同一侧面上的任意两条所成角的余弦值是.
【答案】
【分析】根据题意作出相关图形,利用几何关系作出相应的角,再利用余弦定理从而可求解.
【详解】不妨设正四面体为,设四面体的棱长为,分别为边上的中线,
由题意所成的角余弦值就是要求角的余弦值,
取的中点,的中点,分别连接,
则,,因为平面,平面,
所以平面,平面,又因为,平面,
所以平面平面且,
所以边上的中线,则和所成的角就是,则,
在中,由余弦定理得
,
在中,由余弦定理得
.
故答案为:.
【变式2】(2023·湖南岳阳·模拟预测)如图,已知长方体的底面是边长为2的正方形,为其上底面的中心,在此长方体内挖去四棱锥后所得的几何体的体积为.
(1)求线段的长;
(2)求异面直线与所成的角.
【答案】(1);
(2).
【分析】(1)根据棱柱和棱锥的体积公式计算即可;
(2)取的中点,连接,则,则是两异面直线与所成的角,再解即可.
【详解】(1)依题意,得,
解得;
(2)如图,取的中点,连接,则,
所以是两异面直线与所成的角,
因为平面,所以平面,
又平面,所以,
在中,,
则,所以,
所以异面直线与所成的角为.
考点二:直线与平面所成的角
设直线l的方向向量为a,平面α的法向量为n,直线l与平面α所成的角为θ,
则(1)θ∈eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)));(2)sinθ=|cos〈a,n〉|=eq\f(|a·n|,|a||n|).
易错提醒(1)线面角θ与直线的方向向量a和平面的法向量n所成的角〈a,n〉的关系是〈a,n〉+θ=eq\f(π,2)或〈a,n〉-θ=eq\f(π,2),所以应用向量法求的是线面角的正弦值,而不是余弦值.
(2)利用方程思想求法向量,计算易出错,要认真细心.
【例2】(2022·全国甲卷)在四棱锥P-ABCD中,PD⊥底面ABCD,CD∥AB,AD=DC=CB=1,AB=2,DP=eq\r(3).
(1)证明:BD⊥PA;
(2)求PD与平面PAB所成角的正弦值.
【解析】(1)证明在四边形ABCD中,作DE⊥AB于点E,CF⊥AB于点F,如图.
因为CD∥AB,AD=CD=CB=1,AB=2,
所以四边形ABCD为等腰梯形,
所以AE=BF=eq\f(1,2),
故DE=eq\f(\r(3),2),
BD=eq\r(DE2+BE2)=eq\r(3),
所以AD2+BD2=AB2,
所以AD⊥BD.
因为PD⊥平面ABCD,BD?平面ABCD,
所以PD⊥BD,
又PD∩AD=D,PD,AD?平面PAD,
所以BD⊥平面PAD.
又因为PA?平面PAD,
所以BD⊥PA.
(2)解由(1)知,DA,DB,DP两两垂直,
如图,以D为原点,DA,DB,DP所在直线
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