文档内容
备战2024年高考阶段性检测名校重组卷(新高考)
立体几何与空间向量
本试卷22小题,满分150分。考试用时120分钟
一、单项选择题:本题共8小题,每小题5分,共40分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题
目要求的。
1.(2023·吉林·统考三模)已知直线 与平面 , , ,能使 的充分条件是( )
A. , B. ,
C. , D. , ,
【答案】C
【详解】对于A,当 , 时, 可能平行,可能相交,但不一定垂直,A错误;
对于B,当 , 时, ,B错误;
对于C, , ,根据面面垂直判定定理可知 ,C正确;
对于D,当 , , 时, ,但 相交但不一定垂直,
如图示:
故D错误;故选:C
2.(2023·湖南长沙·统考一模)在平行六面体ABCD−A B C D 中,已知AB=4,AD=3,A A =5,
1 1 1 1 1
∠BAD=90°,∠BA A =∠DA A =60°,则⃗AC⋅⃗BD 的值为( )
1 1 1
A.10.5 B.12.5
C.22.5 D.42.5
【答案】A
【分析】将⃗AB,⃗AD,⃗A A 作为基底,然后用基底表示出⃗AC,⃗BD ,再求其数量积即可.
1 1
【详解】由题意得⃗AC=⃗AB+⃗AD,⃗BD =⃗BA+⃗AD+⃗DD =−⃗AB+⃗AD+⃗A A ,
1 1 1
因为AB=4,AD=3,A A =5,∠BAD=90°,∠BA A =∠DA A =60°,
1 1 1
所以
⃗AC⋅⃗BD =(⃗AB+⃗AD)⋅(−⃗AB+⃗AD+⃗A A )=−⃗AB2+⃗AB⋅⃗AD+⃗AB⋅⃗A A −⃗AB⋅⃗AD+⃗AD2+⃗AD⋅⃗A A =−⃗AB2+⃗AB⋅⃗A A +⃗AD2+⃗AD⋅⃗A A =−16+4×5cos60°+9+3×5cos60°=−16+10+9+7.5
1 1 1 1 1 1=10.5,
故选:A
3.(2023·江苏·统考三模)已知底面半径为r的圆锥SO,其轴截面是正三角形,它的一个内接圆柱的底面
半径为 ,则此圆柱与圆锥的侧面积的比值为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【详解】圆锥的高为 ,如图,
由 可得: ,∴ ,
∴ ,
圆柱侧面积 ,
圆锥侧面积 , .
故选:D.
4.(2023天津联考三模)小明同学参加综合实践活动,设计了一个封闭的包装盒,包装盒如图所示:底面
是边长为 (单位: )的正方形, , , , 均为正三角形,且它们所在的平面都
与平面 垂直,则该包装盒的容积是( )A B C D
【答案】A
【解析】过点 作 于点 ,过点 作 于点 ,连接 .
过点 , 分别作 , ,交 , 于点 , ,
连接 , , , , , 分别为 , 的中点, 为长方体,故该包
装盒可分成一个长方体和四个相等的四棱锥组合而成.
由底面 是边长为 的正方形可得: ,
∴所求该包装盒的容积为
.
5.(2023·山西晋中·统考三模)已知点P在棱长为2的正方体 的表面上运动,则
的最大值为( )
A.6 B.7 C.8 D.9
【答案】C
【详解】取 中点 ,连接 ,如图,
则 ,
当 在正方体表面上运动时,运动到 或 处时, 最大,所以 ,
所以 的最大值为8.
故选:C
6.(2023·浙江温州·统考三模)四面体 满足 ,
点 在棱 上,且 ,点 为 的重心,则点 到直线 的距离为( )
A. B. C. D.
【答案】A
【详解】四面体 满足 ,即 两两垂直,
以点O为原点,以射线 的正方向分别为 轴的正方向建立空间直角坐标系,如图,
因为 , ,则 ,
于是 , ,
所以点 到直线 的距离 .
故选:A
7.(2023·山东菏泽·统考一模)如图,八面体的每一个面都是正三角形,并且A,B,C,D四个顶点在同一
平面内,下列结论:①AE //平面CDF;②平面ABE //平面CDF;③AB⊥AD;④平面ACE⊥平
面BDF,正确命题的个数为( )A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】D
【分析】根据题意,以正八面体的中心O为原点,OB,OC,OE分别为x,y,z轴,建立如图所示空间直角
坐标系,由空间向量的坐标运算以及法向量,对选项逐一判断,即可得到结果.
【详解】
以正八面体的中心O为原点,OB,OC,OE分别为x,y,z轴,建立如图所示空间直角坐标系,
设正八面体的边长为 ,则
2 A(0,−√2,0),E(0,0,√2),C(0,√2,0),D(−√2,0,0),F(0,0,−√2)
所以, ,
⃗AE=(0,√2,√2),⃗CD=(−√2,−√2,0),⃗CF=(0,−√2,−√2)
设面CDF的法向量为⃗n=(x,y,z),则¿,解得¿,取x=1,即⃗n=(1,−1,1)
又⃗AE⋅⃗n=−√2+√2=0,所以⃗AE⊥⃗n,AE ⊄面CDF,即AE //面CDF,①正确;
因为⃗AE=−⃗CF,所以AE // CF,
又AB//CD,AB⊄面CDF,CD⊂面CDF,则AB//面CDF,
由AB∩AE=A,AE,AB⊂平面ABE,所以平面AEB //平面CDF,②正确;
因为 ,则 ,所以 ,③正确;
B(√2,0,0),⃗AB=(√2,√2,0),⃗AD=(−√2,√2,0) ⃗AB⋅⃗AD=0 AB⊥AD
易知平面 的一个法向量为 ,平面 的一个法向量为 ,
ACE ⃗n =(1,0,0) BDF ⃗n =(0,1,0)
1 2
因为⃗n ⋅⃗n =0,所以平面ACE⊥平面BDF,④正确;
1 2故选:D
8.(2023·吉林·统考三模)如图,菱形纸片 中, ,O为菱形 的中心,将纸片沿对角
线 折起,使得二面角 为 , 分别为 的中点,则折纸后 ( )
A. B. C. D.0
【答案】A
【详解】如图,连接 ,则 ,
故 即为二面角 得平面角,即 ,
设 的中点为M,连接 ,则 ,
设菱形纸片 中的边长为2,因为 ,则 为正三角形,
则 ,
故 为正三角形,故 ,
又 , 平面 ,则 平面 ,
平面 ,故 ,
又因为 为 的中点,所以 ,所以 ,
又 ,故 ,故在 中, ,
故 ,
故选:A
二、多项选择题:本题共4小题,每小题5分,共20分。在每小题给出的选项中,有多项符合题目要求。
全部选对的得5分,部分选对的得2分,有选错的得0分。
9.(2023·黑龙江牡丹江·牡丹江市第三高级中学校考三模)已知 、 、 为空间中三条不同的直线, 、
、 为空间中三个不同的平面,则下列说法中正确的有( )
A.若 , , ,则
B.若 , , ,若 ,则
C.若 , 、 分别与 、 所成的角相等,则
D.若 , , ,则
【答案】BD
【详解】对于A,如图1,若 , , ,则 可以与 平行,故A错误;
对于B,因为 , , ,且 , ,则 ,
因为 , ,则 ,故 ,B对;
对于C,如图2,若 , 、 分别与 、 所成的角为 时, 与 可以相交、平行或异面,故C错误;
对于D,若 , ,则 ,又 ,则 ,D对.
故选:BC.
10.(2023·昆明模拟)已知P,Q分别是正方体ABCD-ABC D 的棱BB ,CC 上的动点(不与顶点重合),则
1 1 1 1 1 1
下列结论错误的是( )
A.AB⊥PQ
B.平面BPQ∥平面ADD A
1 1
C.四面体ABPQ的体积为定值
D.AP∥平面CDD C
1 1
【答案】 C
【解析】 对于A,∵AB⊥BC,AB⊥BB,BC∩BB=B,BC,BB⊂平面BCC B,
1 1 1 1 1∴AB⊥平面BCC B,∵PQ⊂平面BCC B,∴AB⊥PQ,故A正确;
1 1 1 1
对于B,∵平面ADD A∥平面BCC B,平面BPQ与平面BCC B 重合,
1 1 1 1 1 1
∴平面BPQ∥平面ADD A,故B正确;
1 1
对于C,∵A到平面BPQ的距离AB为定值,Q到BP的距离为定值,BP的长不是定值,
∴四面体ABPQ的体积不为定值,故C错误;
对于D,∵平面ABBA∥平面CDD C ,AP⊂平面ABBA,
1 1 1 1 1 1
∴AP∥平面CDD C ,故D正确.
1 1
11.(多选)(2023·安徽黄山·统考三模)在棱长为 的正四面体 中,过点 且与 平行的平面
分别与棱 交于点 ,点 为线段 上的动点,则下列结论正确的是( )
A.
B.当 分别为线段 中点时, 与 所成角的余弦值为
C.线段 的最小值为
D.空间四边形 的周长的最小值为
【答案】ABD
【详解】
由题知, //平面 ,而平面 平面 , 平面 ,根据线面平行的性质定理可
知, // ,
又 ,
即 ,故 ,A选项正确;
连接 ,易得 ,又 ,于是 (三线合一),故
,取 中点 ,连接 ,由中位线可知 ,在 中由余弦定理,
,即 ,
由 // , 与 所成角即为 (或其补角),在 中根据余弦定理,
,B选项正确;
根据B选项分析,当 分别为线段 中点时, ,C选项错误;
由 // ,由于 为正三角形,则 也是正三角形,故 ,故四边形 的周长为:
,当 为 中点,即 时, 有最小值 .
即空间四边形 的周长的最小值为 ,D选项正确.
故选:ABD
12.(多选)(2023·黑龙江大庆·统考三模)勒洛四面体是一个非常神奇的“四面体”,它能在两个平行
平面间自由转动,并且始终保持与两平面都接触.勒洛四面体是以正四面体的四个顶点为球心,以正四面体
的棱长为半径的四个球的相交部分围成的几何体,若用棱长为4的正四面体 作勒洛四面体,如图,
则下列说法正确的是( )
A.平面 截勒洛四面体所得截面的面积为
B.记勒洛四面体上以C,D为球心的两球球面交线为弧 ,则其长度为
C.该勒洛四面体表面上任意两点间距离的最大值为4
D.该勒洛四面体能够容纳的最大球的半径为
【答案】AD
【详解】对于A,平面 截勒洛四面体所得截面如图甲,它的面积为三个半径为4,圆心角为 的扇
形的面积减去两个边长为4的正三角形的面积;
即 ,故A正确;
对于B,如图乙,取 中点 ,在 中, , ,记该勒洛四面体上以 , 为
球心的两球交线为弧 ,则该弧是以 的中点 为圆心,以 为半径的圆弧,设圆心角为 ,则 ,可知 ,
所以弧长不等于 ,故B错误;
对于C,如图丙,设弧 的中点是 ,线段 的中点是 ,设弧 的中点是 ,线段 的中点是 ,
则根据图形的对称性,四点 共线且过正四面体 的中心 ,则 ,
, , ,即勒洛四面体表
面上任意两点间距离可能大于4,最大值为 ,故C错误;
对于D,勒洛四面体能容纳的最大球,与勒洛四面体的弧面相切,如图乙,其中点 为该球与勒洛四面体
的一个切点,由对称性可知 为该球的球心,内半径为 ,连接 ,易知 三点共线,设正四面体
的外接球半径为 ,
如图丁,则由题意得:正四面体 的高, , ,
则 ,解得: ,所以 , ,内半径 ,故D正确.
故选:AD.
三、填空题:本大题共4小题,每小题5分,共20分。
13.(2023·枣庄模拟)在长方体ABCD-ABC D 中,AA =AB=2,AD=1,点F,G分别是AB,CC 的中
1 1 1 1 1 1
点,则△DGF的面积为________.
1
【答案】
【解析】 以D为坐标原点,DA,DC,DD 所在直线为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系(图略),
1
则D(0,0,2),G(0,2,1),F(1,1,0),
1
FD1=(-1,-1,2),FG=(-1,1,1),
∴点D 到直线GF的距离
1
d=
==.
又|FG|=,∴ =××=.
14.(2023·广东·统考模拟预测)如图所示,正方体ABCD-ABC D 的棱长为2,E,F分别为AA ,AB的
1 1 1 1 1
中点,M点是正方形ABBA 内的动点,若C M∥平面CDEF,则M点的轨迹长度为________.
1 1 1 1
【答案】
【解析】 如图所示,取AB 的中点H,BB的中点G,连接GH,C H,C G,EG,HF,可得四边形
1 1 1 1 1
EGC D 是平行四边形,所以C G∥DE,又C G⊄平面CDEF,DE⊂平面CDEF,所以C G∥平面CDEF.同
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
理可得C H∥CF,C H∥平面CDEF.
1 1 1
因为C H∩C G=C ,所以平面C GH∥平面CDEF.
1 1 1 1 1
由M点是正方形ABBA 内的动点可知,若C M∥平面CDEF,则点M在线段GH上,所以M点的轨迹长
1 1 1 1
度GH==.
15.(2023·北京模拟)如图,正方体ABCD-ABC D 的棱长为2,点O为底面ABCD的中心,点P在侧面
1 1 1 1
BBC C的边界及其内部运动.给出下列四个结论:
1 1
①DO⊥AC;
1
②存在一点P,DO∥BP;
1 1
③若DO⊥OP,则△DC P面积的最大值为;
1 1 1
④若P到直线DC 的距离与到点B的距离相等,则P的轨迹为抛物线的一部分.
1 1
其中所有正确结论的序号是 ________.
【答案】 ①③
【解析】 对于①,连接 AD ,CD ,如图,由正方体的性质知△ACD 为等边三角形,由于 O为底面
1 1 1
ABCD的中心,故O为AC的中点,故AC⊥DO,①正确;
1对于②,将 DO 进行平移到过B 点,使之与 BP 具有公共顶点,如图,根据立体图形判断,无论如何
1 1 1
也不可能满足BH平行或重合于BP,所以DO不可能平行于BP,②错误;
1 1 1 1
对于③,取BB的中点E,连接OE,EC,BD,DE,如图,易证明DO⊥平面OEC,所以P在线段EC上
1 1 1
运动,当点P到点E位置时,C P最大,此时△DC P的面积最大为 =×2×=,所以③正确;
1 1 1
对于④,P到直线DC 的距离为线段PC 的长度,所以|PC |=|PB|,判定出P点在直线BC 的垂直平分线
1 1 1 1 1
上,故④错误.
16.(2023·安徽·校联考三模)已知四面体 的四个顶点都在球 的球面上, 是边长为2的等
边三角形, 外接圆的圆心为 .若四面体 的体积最大时, ,则球 的半径为
______;若 ,点 为 的中点,且 ,则球 的表面积为______.
【答案】
【详解】设 的外接圆的半径R,由题可得 ,解得 ;
若四面体 的体积最大时,则点B在过 和 的直径上,且 在 的两侧,
在 中, ,又 ,所以 ,
设球 的半径为 ,则在 中, ,解得 ;
如图,取 的中点 ,连接 并延长 交圆 于点 .连接 ,
由 得,则 . .在 中, ,所以在 中,由余弦定理得
,可得 ,
结合图形可得 圆 .连接 ,过点O作BF的垂线,垂足为点G,连接BO,
四面体 外接球的半径 解得 ,所以球O的半径
,
四面体ABCD外接球的表面积为 .
故答案为: ; .
四、解答题:本大题共6小题,共70分,请在答题卡指定区域内作答,解答时应写出文字说明、证明过程
或演算步骤。
17.(2023福建莆田一中校考期末)如图,四边形 为矩形,且 , , 平面 ,
, 为 的中点.
(1)求证: ;
(2)若点 为 上的中点,证明 平面 .
【分析】(1)连接 ,矩形 中可证出 ,由 平面 证出 ,从而得到
平面 ,所以有 ;
(2)取 , 的中点 , ,连接 、 、 .利用矩形 和三角形中位线定理,证出四边
形 是平行四边形,从而证出 ,结合线面平行判定定理,可得 平面 .
【详解】(1)证明:连接 ,
∵ 为 的中点,
∴ 为等腰直角三角形,由此可得 ,同理 ,
∴ ,即 ,又∵ 平面 ,且 平面 ,
∴ ,
又∵ , , 平面 ,
∴ 平面 ,
又∵ 平面 ,
∴ .
(2)证明:取 、 的中点 、 ,连接 、 、 .
∵ 、 是 , 的中点, 中,
可得 且 ,
又∵ 是 的中点,且四边形 为矩形,
∴ 且 ,
∴ 、 平行且相等,可得四边形 是平行四边形.
∴ ,
又∵ 平面 , 平面 ,
∴ 平面 .
18.(2023·山西晋中·统考三模)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,E是CD的中点,AE
与BD交于点F,G是 的重心.
(1)求证: 平面PCD;
(2)若平面PAD⊥平面ABCD, 为等腰直角三角形,且 ,求直线AG与平面PBD所成角的正弦值.
【答案】(1)证明见解析
(2) .
【详解】(1)证明:连接AG并延长交PD于H,∵G为 的重心,∴ .
又 ,∴ ,∴ ,
∴ .又 平面PCD, 平面PCD,
∴ 平面PCD.
(2)连接PG并延长交AD于O,显然O为AD的中点,
因为平面PAD⊥平面ABCD,平面 平面 ,又PO⊥AD,
∴PO⊥平面ABCD.
取BC中点M,以O为坐标原点,OA,OM,OP分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示空间直角坐标系,则
PO=2,于是,
, , , , ,
于是 , , .
设平面PBD的法向量为 ,则
,∴ ,∴ ,不妨取z=1,
则 ,
∴ ,
∴AG与平面PBD所成角的正弦值为 .19.(2023·北京模拟)如图,在三棱柱ABC-ABC 中,AA⊥平面ABC,AB⊥AC,AB=AC=AA =1,M为线
1 1 1 1 1
段AC 上一点.
1 1
(1)求证:BM⊥AB;
1
(2)若直线AB 与平面BCM所成的角为,求点A 到平面BCM的距离.
1 1
【解析】(1)证明 ∵AA⊥平面ABC,AB,AC⊂平面ABC,
1
∴AA⊥AB,AA⊥AC,而AB⊥AC,故建立如图所示的空间直角坐标系,设AM=a,a∈[0,1],
1 1 1
则A(0,0,0),A(0,0,1),B(1,0,0),C(0,1,0),B(1,0,1),M(0,a,1),
1 1
BM=(-1,a,1),AB1=(1,0,1),
∵BM·AB1=0,∴BM⊥AB1,∴BM⊥AB.
1
(2)解 设平面BCM的法向量n=(x,y,z),
由(1)知BM=(-1,a,1),BC=(-1,1,0),AB1=(1,0,1),
∴
取x=1,得n=(1,1,1-a),
∵直线AB 与平面BCM所成的角为,
1
∴sin ===,
解得a=,∴n=,
∵A1B=(1,0,-1),
∴点A 到平面BCM的距离d===.
1
20.(2023·辽宁沈阳·沈阳二中校考三模)如图,在四棱锥 中, 面ABCD, ,
, , .E为PD的中点,点F在PC上,且 .(1)求证: 面PAD;
(2)求二面角 的正弦值;
(3)设点G在PB上,且 .判断是否存在这样的 ,使得A,E,F,G四点共面.
【答案】(1)证明见解析
(2)
(3)存在
【详解】(1)∵ 平面ABCD, 平面ABCD,
∴ ,
∵ , , 平面PAD, 平面PAD,
∴ 平面PAD.
(2)以A为原点,在平面ABCD内过A作CD的平行线为x轴,
AD为y轴,AP为z轴,建立空间直角坐标系,
则 , , , , ,
所以 , ,
平面AEP的一个法向量为 ,
设平面AEF的一个法向量为 ,则 ,取 ,得 , .
故 ,
设二面角 的平面角为 ,由图可知 为锐角,
则 .
∴二面角 的余弦值为 .
故二面角 的正弦值为 .
(3)存在这样的 .
由 可得: ,则 ,
若A,E,F,G四点共面,则 在面 内,
又面 的一个法向量为 ,
∴ ,即 ,可得 .
∴存在这样的 ,使得四点共面.
21.(2023·青岛模拟)如图①,在梯形ABCD中,AB∥DC,AD=BC=CD=2,AB=4,E为AB的中点,以
DE为折痕把△ADE折起,连接AB,AC,得到如图②的几何体,在图②的几何体中解答下列问题.
(1)证明:AC⊥DE;
(2)请从以下两个条件中选择一个作为已知条件,求平面DAE与平面AEC夹角的余弦值.
①四棱锥A-BCDE的体积为2;
②直线AC与EB所成角的余弦值为.
【解析】(1)证明 在图①中,连接CE(图略),
因为DC∥AB,CD=AB,E为AB的中点,
所以DC∥AE,且DC=AE,
所以四边形ADCE为平行四边形,
所以AD=CE=CD=AE=2,同理可证DE=2,
在图②中,取DE的中点O,连接OA,OC(图略),
则OA=OC=,
因为AD=AE=CE=CD,所以DE⊥OA,DE⊥OC,
因为OA∩OC=O,OA,OC⊂平面AOC,所以DE⊥平面AOC,
因为AC⊂平面AOC,所以DE⊥AC.
(2)解 若选择①:由(1)知DE⊥平面AOC,DE⊂平面BCDE,
所以平面AOC⊥平面BCDE,且交线为OC,
所以过点A作AH⊥OC交OC于点H(图略),则AH⊥平面BCDE,因为S
四边形BCDE
=2,
所以四棱锥A-BCDE的体积V =2=×2·AH,
A-BCDE
所以AH=OA=,所以AO与AH重合,所以AO⊥平面BCDE,
建立如图所示的空间直角坐标系,则O(0,0,0),C(-,0,0),E(0,1,0),A(0,0,),
易知平面DAE的一个法向量为CO=(,0,0),
设平面AEC的法向量为n=(x,y,z),
因为CE=(,1,0),CA=(,0,),
所以取n=(1,-,-1),
设平面DAE与平面AEC的夹角为θ,
则cos θ===,
所以平面DAE与平面AEC夹角的余弦值为.
若选择②:因为DC∥EB,所以∠ACD即为异面直线AC与EB所成的角,
在△ADC中,cos∠ACD==,
所以AC=,所以OA2+OC2=AC2,即OA⊥OC,
因为DE⊥平面AOC,DE⊂平面BCDE,
所以平面AOC⊥平面BCDE,且交线为OC,又OA⊂平面AOC,
所以AO⊥平面BCDE,
建立如图所示的空间直角坐标系,则O(0,0,0),C(-,0,0),E(0,1,0),A(0,0,),易知平面DAE的一个法向量为CO=(,0,0),
设平面AEC的法向量为n=(x,y,z),
因为CE=(,1,0),CA=(,0,),
所以取n=(1,-,-1),
设平面DAE与平面AEC的夹角为θ,
则cos θ===,
所以平面DAE与平面AEC夹角的余弦值为.
22.(2023·盐城模拟)如图,正方体ABCD-ABC D 的棱长为2,E,F分别为BD和BB 的中点,P为棱
1 1 1 1 1
C D 上的动点.
1 1
(1)是否存在点P,使得PE⊥平面EFC?若存在,求出满足条件时C P的长度并证明;若不存在,请说明理
1
由;
(2)当C P为何值时,平面BCC B 与平面PEF夹角的正弦值最小.
1 1 1
【解析】 建立如图所示的空间直角坐标系,
根据题意设点P(0,t,2),0≤t≤2,则E(1,1,0),F(2,2,1),C(0,2,0),
(1)PE=(1,1-t,-2),EF=(1,1,1),CF=(2,0,1),
设平面CEF的法向量为m=(x,y,z),
则令x=1,得z=-2,y=1,
∴m=(1,1,-2),
若存在满足题意的点P,
则PE∥m,
∴=1,∴t=0,满足0≤t≤2,即P与D 重合时,PE⊥平面EFC,此时C P=2.
1 1
(2)易知平面BCC B 的法向量为n=(0,1,0),
1 1
设平面PEF的法向量为r=(x,y,z),
0 0 0
又PF=(2,2-t,-1),PE=(1,1-t,-2),
∴
令y=1,则x=-1,z=-,
0 0 0∴r=,
设平面BCC B 与平面PEF的夹角为θ,
1 1
则cos θ=|cos〈n,r〉|==,0≤t≤2,
∴当t=时,(cos θ) =,(sin θ) =.
max min
此时C P=2-=.
1