资源描述
阶段性测试题八(立体几何初步)
本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分.满分150分.考试时间120分钟.
第Ⅰ卷(选择题 共50分)
一、选择题(本大题共10个小题,每小题5分,共50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.(2021·广东七校联考)已知平面α、β和直线m,给出条件:①m∥α;②m⊥α;③mα;④α⊥β;⑤α∥β.能推导出m∥β的是( )
A.①④ B.①⑤
C.②⑤ D.③⑤
[答案] D
[解析] 由两平面平行的性质可知两平面平行,在一个平面内的直线必平行于另一个平面,于是选D.
2.(2021·云南第一次检测)在三棱锥S-ABC中,△ABC是边长为6的正三角形,SA=SB=SC=15,平面DEFH分别与AB、BC、SC、SA交于D、E、F、H,D、E分别是AB、BC的中点,假如直线SB∥平面DEFH,那么四边形DEFH的面积为( )
A. B.
C.45 D.45
[答案] A
[解析] 取AC的中点G,连接SG,BG.易知SG⊥AC,BG⊥AC,故AC⊥平面SGB,所以AC⊥SB.由于SB∥平面DEFH,SB平面SAB,平面SAB∩平面DEFH=HD,则SB∥HD.同理SB∥FE.又D、E分别为AB、BC的中点,则H、F也为AS、SC的中点,从而得HF綊AC綊DE,所以四边形DEFH为平行四边形.又AC⊥SB,SB∥HD,DE∥AC,所以DE⊥HD,所以四边形DEFH为矩形,其面积S=HF·HD=(AC)·(SB)=.
3.(文)已知直线l⊥平面α,直线m平面β,则α∥β是l⊥m的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
[答案] A
[解析] 若α∥β,则由l⊥α知l⊥β,又mβ,可得l⊥m,若α与β相交(如图),设α∩β=n,当m∥n时,由l⊥α可得l⊥m,而此时α与β不平行,于是α∥β是l⊥m的充分不必要条件,故选A.
(理)对于直线m,n和平面α,β,γ,有如下四个命题:
(1)若m∥α,m⊥n,则n⊥α
(2)若m⊥α,m⊥n,则n∥α
(3)若α⊥β,γ⊥β,则α∥γ
(4)若m⊥α,m∥n,nβ,则α⊥β
其中真命题的个数是( )
A.1 B.2
C.3 D.4
[答案] A
[解析] (1)错误.(2)当nα时,则不成立.(3)不正确.当m⊥α,m∥n,有n⊥α,又nβ,所以有α⊥β,所以只有(4)正确.选A.
4.正方体ABCD-A1B1C1D1中E为棱BB1的中点(如图1),用过点AEC1的平面截去该正方体的上半部分,则剩余几何体的左视图为( )
[答案] C
[解析] 取DD1的中点F,连接AF、C1F,则剩余几何体为A1B1C1D1—AFC1E,因此其左视图为选项C.
5.(文) 如图是一个几何体的三视图,依据图中数据,可得该几何体的表面积是( )
A.9π B.12π
C.11π D.10π
[答案] B
[解析] 从三视图可以看出该几何体是由一个球体和一个圆柱组合而成的,其表面为S=4π×12+π×12×2+2π×1×3=12π,故选B.
(理)一个几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为( )
A. B.3π
C. D.6π
[答案] B
[解析] 由三视图还原几何体,如图所示,为圆柱被一个不垂直于轴线的平面所截得到的几何体,其体积为V=4π-×2π=3π.
6.(2021·陕西检测)若设平面α、平面β相交于直线m,直线a在平面α内,直线b在平面β内,且b⊥m,则“α⊥β”是“a⊥b”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
[答案] A
[解析] 由α⊥β和b⊥m,知b⊥α,又aα,∴a⊥b,“α⊥β”可以推出“a⊥b”,反过来,不愿定能推出,即“α⊥β”是“a⊥b”的充分不必要条件.
7.(文)如图,网格上小正方形的边长为1,粗线画出的是某几何体的三视图,则几何体的体积为( )
A.6 B.9
C.12 D.18
[答案] B
[解析] 本题主要考查简洁几何体的三视图及体积计算,是简洁题.由三视图知,其对应几何体为三棱锥,其底面为三角形,一边长为6,这边上的高为3,棱锥的高为3,故其体积为××6×3×3=9,故选B.
(理)如图,如图,某三棱锥的三视图都是直角边为的等腰直角三角形,则该三棱锥的四个面的面积中最大的是 ( )
A. B.2
C.1 D.2
[答案] A
[解析] 由三视图可知,该几何体是一个三棱锥,三棱锥的三个侧面都是等腰直角三角形,所以四个面中面积最大的为△BCD,且△BCD是边长为2的正三角形,所以S△BCD=×2×2×=,选A.
8.(2022·唐山统考)如图,直三棱柱ABC-A1B1C1的六个顶点都在半径为1的半球面上,AB=AC,侧面BCC1B1是半球底面圆的内接正方形,则侧面ABB1A1的面积为( )
A.2 B.1
C. D.
[答案] C
[解析] 由题意知,球心在侧面BCC1B1的中心O上,BC为截面圆的直径,∴∠BAC=90°,△ABC的外接圆圆心N是BC的中点,同理△A1B1C1的外心M是B1C1的中点.设正方形BCC1B1的边长为x,Rt△OMC1中,OM=,MC1=,OC1=R=1(R为球的半径),
∴()2+()2=1,即x=,则AB=AC=1,
∴S矩形ABB1A1=×1=.
9.(文)某几何体的三视图如图所示,图中的四边形都是边长为2的正方形,两条虚线相互垂直,则该几何体的体积是( )
A. B.
C.8- D.8-
[答案] A
[解析] 由三视图知,原几何体为一个正方体挖掉一个正四棱锥其中正方体的棱为2,正四棱锥的底面边长为正方体的上底面,高为1.
∴原几何体的体积为V=23-×2×2×1=8-=,选A.
(理)如图,空间四边形OABC中,OA=a,OB=b,OC=C.点M在OA上,且OM=2MA,N为BC中点,则MN=( )
A.a-b+c B.-a+b+c
C.a+b-c D.-a+b-c
[答案] B
[解析] 由向量加法法则可知
MN=MO+ON=-OA+(OB+OC)=-a+(b+c)=-a+b+C.
10.(文)已知正六棱柱的12个顶点都在一个半径为3的球面上,当正六棱柱的体积最大(柱体体积=底面积×高)时,其高的值为( )
A.3 B.2
C. D.
[答案] B
[分析] 依据正六棱柱和球的对称性,球心O必定是正六棱柱上下底面中心连线的中点,作出轴截面即可得到正六棱柱的底面边长、高和球的半径的关系,在这个关系下求函数取得最值的条件即可求出所要求的量.
[解析] 解法1:以正六棱柱的最大对角面作截面,设球心为O,正六棱柱的上下底面中心分别为O1,O2,则O是O1,O2的中点.设正六棱柱的底面边长为a,高为2h,则a2+h2=9.正六棱柱的体积为V=6×a2×2h,即V=(9-h2)h,则V′=(9-3h2),得极值点h=,不难知道这个极值点是极大值点,也是最大值点,故当正六棱柱的体积最大,其高为2.
解法2: 求函数V=(9-h2)h的条件可以使用三个正数的均值不等式进行,即
V=(9-h2)h=≤,等号成立的条件是9-h2=2h2,即h=.
(理)(2022·新课标Ⅱ)直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠BCA=90°,M、N分别是A1B1、A1C1的中点,BC=CA=CC1,则BM与AN所成的角的余弦值为( )
A. B.
C. D.
[答案] C
[解析] 如图,分别以C1B1、C1A1、C1C为x、y、z轴,建立空间直角坐标系.令AC=BC=C1C=2,则A(0,2,2),B(2,0,2),M(1,1,0),N(0,1,0).
∴=(-1,1,-2),=(0,-1,-2).
cosθ===.故选C.
第Ⅱ卷(非选择题 共100分)
二、填空题(本大题共5个小题,每小题5分,共25分,把正确答案填在题中横线上)
11.湖面上漂着一个小球,湖水结冰后将球取出,冰面上留下了一个直径为12cm,深2cm的空穴,则该球的半径是________cm,表面积是________cm2.
[答案] 10 400π
[解析] 设球的半径为r,画出球与水面的位置关系图,如图:
由勾股定理可知,r2=(r-2)2+36,解得r =10.
所以表面积为4πr2=4π×100=400π.
12.(2021·忻州期末)已知不重合的直线m、l和不重合的平面α、β,且m⊥α,lβ,给出下列命题:
①若α∥β,则m⊥l;②若α⊥β,则m∥l;
③若m⊥l,则α∥β;④若m∥l,则α⊥β.
其中正确命题的个数是________.
[答案] 2
[解析] 对于①,∵m⊥α,α∥β,
∴m⊥β,又lβ,∴m⊥l,①正确;
对于②,∵m⊥α,α⊥β,∴m∥β或mβ,又lβ,
∴m与l可能相交、平行或异面,②错误;
对于③,∵m⊥α,m⊥l,∴l∥α或lα,又lβ,
∴α与β有可能相交,也有可能平行,③错误;
对于④,∵m⊥α,m∥l,则l⊥α,又lβ,∴α⊥β,④正确,
∴正确命题的个数是2.
13.已知△ABC的斜二侧直观图是边长为2的等边△A1B1C1,那么原△ABC的面积为________.
[答案] 2
[解析] 如图:
在△A1D1C1中,由正弦定理=,得a=,
故S△ABC=×2×2=2.
14.(2021·北京海淀区期末)已知某四棱锥的底面是边长为2的正方形,且俯视图如图所示.
(1)若该四棱锥的左视图为直角三角形,则它的体积为________;
(2)关于该四棱锥的下列结论中:
①四棱锥中至少有两组侧面相互垂直;
②四棱锥的侧面中可能存在三个直角三角形;
③四棱锥中不行能存在四组相互垂直的侧面.
全部正确结论的序号是________.
[答案] ①②③
[解析] 由三视图可知该几何体是底面边长为2的正方形、高为1的四棱锥,如图所示,所以该四棱锥的体积为×2×2×1=.
(2)由图可知PQ⊥平面ABCD,则有PQ⊥AB,又AB⊥BC,所以AB⊥平面PBC,于是侧面PAB⊥侧面PBC,同理可知侧面PDC⊥侧面PBC,故①正确;由上述易知AB⊥PB,CD⊥PC,所以△PAB,△PCD为直角三角形,又四棱锥的左视图为直角三角形,所以△PBC为直角三角形,故②正确;由图易推断平面PAB与平面PAD不垂直,故③正确.综上知①②③均正确.
15.如图,直三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=1,BC=2,AC=,AA1=3,M为线段BB1上的一动点,则当AM+MC1最小时,△AMC1的面积为________.
[答案]
[解析] 将三棱柱的侧面A1ABB1和B1BCC1以BB1为折痕展平到一个平面α上,在平面α内AC1与BB1相交,则当交点为M点时,AM+MC1取最小值,易求BM=1,
∴AM=,MC1=2,
又在棱柱中,AC1=,
∴cos∠AMC1===-,
∴∠AMC1=120°,
∴S△AMC1=AM·MC1·sin∠AMC1
=××2×=.
三、解答题(本大题共6个小题,共75分,解答应写出文字说明,证明过程或演算步骤)
16.(本小题满分12分)如图所示,在三棱锥A-BOC中,OA⊥底面BOC,∠OAB=∠OAC=30°,AB=AC=4,BC=2,动点D在线段AB上.
(1)求证:平面COD⊥平面AOB;
(2)当OD⊥AB时,求三棱锥C-OBD的体积.
[解析] (1)∵AO⊥底面BOC,
∴AO⊥OC,AO⊥OB.
∵∠OAB=∠OAC=30°,AB=AC=4,
∴OC=OB=2.又BC=2,
∴OC⊥OB,
∴OC⊥平面AOB.
∵OC平面COD,
∴平面COD⊥平面AOB.
(2)∵OD⊥AB,∴BD=1,OD=.
∴VC-OBD=×××1×2=.
17.(本小题满分12分)(文)(2021·江苏苏北四市高三调研)如图,在四棱锥P-ABCD中,四边形ABCD是菱形,PB=PD,且E,F分别是BC,CD的中点.求证:
(1)EF∥平面PBD;
(2)平面PEF⊥平面PAC.
[解析] (1)由于E,F分别是BC,CD的中点,所以EF∥BD,
由于EF平面平面PBD,
BD平面PBD,
所以EF∥平面PBD.
(2)设BD交AC于点O,连接PO,
由于ABCD是菱形,所以BD⊥AC,O是BD中点,
又PB=PD,所以BD⊥PO,又EF∥BD,
所以EF⊥AC,EF⊥PO.
又AC∩PO=O,所以EF⊥平面PAC.
由于EF平面PEF,所以平面PEF⊥平面PAC.
(理)如图,正三棱柱ABC-A1B1C1中,D是BC的中点,AA1=AB=A.
(1)求证:AD⊥B1D;
(2)求证:A1C∥平面AB1D.
[解析] (1)∵ABC-A1B1C1是正三棱柱,
∴BB1⊥平面ABC,
∴BD是B1D在平面ABC上的射影.
在正△ABC中,∵D是BC的中点,
∴AD⊥BD, 依据三垂线定理得,AD⊥B1D.
(2)连接A1B,设A1B∩AB1=E,连接DE.
∵AA1=AB,∴四边形A1ABB1是正方形,
∴E是A1B的中点,
又D是BC的中点,∴DE∥A1C.
∵DE平面AB1D,A1C平面AB1D,
∴A1C∥平面AB1D.
18.(本小题满分12分)如图,正三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=2,AA1=3,D为C1B的中点,P为AB边上的动点.
(1)当点P为AB的中点时,证明DP∥平面ACC1A1;
(2)若AP=3PB,求三棱锥B-CDP的体积.
[解析] (1)连接DP,AC1,
∵P为AB中点,D为C1B中点,∴DP∥AC1,
又∵AC1平面ACC1A1,DP平面ACC1A1,
∴DP∥平面ACC1A1.
(2)由AP=3PB,得PB=AB=.
过点D作DE⊥BC于E,则DECC1,
又CC1⊥平面ABC,∴DE⊥平面BCP,
又CC1=3,∴DE=.
则S△BCP=·2·sin60°=,
∴VB-CDP=VD-BCP=··=.
19.(本小题满分12分)(文)(2022·北京高考)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,侧棱垂直于底面,AB⊥BC,AA1=AC=2,BC=1,E、F分别为A1C1、BC的中点.
(1)求证:平面ABE⊥平面B1BCC1;
(2)求证:C1F∥平面ABE;
(3)求三棱锥E-ABC的体积.
[解析] (1)在三棱柱ABC-A1B1C1中,BB1⊥底面ABC,
所以BB1⊥AB,又由于AB⊥BC,所以AB⊥平面B1BCC1.
又AB平面ABE.
所以平面ABE⊥平面B1BCC1.
(2)取AB中点G,连结EG、FG.
由于E、F分别是A1C1、BC的中点.
所以FG∥AC,且FG=AC.
由于AC∥A1C1,且AC=A1C1,
所以FG∥EC1,且FG=EC1.
所以四边形FGEC1为平行四边形.
所以C1F∥EG.
又由于EG⊂平面ABE,C1F⊄平面ABE,
所以C1F∥平面ABE.
(3)由于AA1=AC=2,BC=1,AB⊥BC,
所以AB==,
所以三棱锥E-ABC的体积
V=S△ABC·AA1=×××1×2=.
(理) 如图所示,在棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD为直角梯形,PA=AD=DC=2,AB=4且AB∥CD,∠BAD=90°,
(1)求证:BC⊥PC;
(2)求PB与平面PAC所成角的正弦值.
[解析] (1)在直角梯形ABCD中,AC=2,
取AB中点E,连接CE,
则四边形AECD为正方形,
∴AE=CE=2,又BE=AB=2,
则△ABC为等腰直角三角形,
∴AC⊥BC,
又∵PA⊥平面ABCD,BC平面ABCD,
∴PA⊥BC,由AC∩PA=A得BC⊥平面PAC,
∵PC平面PAC,所以BC⊥PC.
(2)以A为坐标原点,AD,AB,AP分别为x,y,z轴,
建立空间直角坐标系.则P(0,0,2),B(0,4,0),C(2,2,0),
=(0,-4,2),=(2,-2,0).
由(1)知即为平面PAC的一个法向量,
cos<,>==.
即PB与平面PAC所成角的正弦值为.
20.(本小题满分13分)(文)(2022·湖北高考)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F,P,Q,M,N分别是棱AB,AD,DD1,BB1,A1B1,A1D1的中点.求证:
(1)直线BC1∥平面EFPQ;
(2)直线AC1⊥平面PQMN.
[解析] 思路分析:(1)直线与平面平行,主要通过直线与直线平行来证明,由BC1∥AD1,AD1∥FP,得出BC1∥FP,即可证明;(2)直线与平面垂直,主要通过直线与直线垂直来证明,而直线与直线垂直往往又要通过直线与平面垂直来证明.由BD⊥平面ACC1,得BD⊥AC1,从而MN⊥AC1;同理,证明PN⊥AC1,即可完成证明.
解:(1)连接AD1,由ABCD-A1B1C1D1是正方体,知AD1∥BC1,
由于F,P分别是AD,DD1的中点,所以FP∥AD1.
从而BC1∥FP.
而FP平面EFPQ,且BC1平面EFPQ.
故直线BC1∥平面EFPQ.
(2)如图,连接AC,BD,则AC⊥BD.
由CC1⊥平面ABCD,BD平面ABCD,可得CC1⊥BD.
又AC∩CC1=C,所以BD⊥平面ACC1,
而AC1平面ACC1,所以BD⊥AC1.
由于M,N分别是A1B1,A1D1的中点,
所以MN∥BD,从而MN⊥AC1.
同理可证PN⊥AC1,又PN∩MN=N,
所以直线AC1⊥平面PQMN.
(2022·辽宁高考)如图,△ABC和△BCD所在平面相互垂直,且AB=BC=BD=2,∠ABC=∠DBC=120°,E,F分别为AC,DC的中点.
(1)求证:EF⊥BC;
(2)求二面角E-BF-C的正弦值.
[解析] (1)方法一:过E作EO⊥BC,垂足为O,连接OF,由△ABC≌△DBC可证出△EOC≌△FOC,
图1
所以∠EOC=∠FOC=,即FO⊥BC.
又EO⊥BC,因此BC⊥平面EFO.
又EF平面EFO,所以EF⊥BC.
方法二:由题意,以B为坐标原点,在平面DBC内过B作垂直BC的直线为x轴,BC所在直线为y轴,在平面ABC内过B作垂直BC的直线为z轴,建立如图所示空间直角坐标系,易得B(0,0,0),A(0,-1,),D(,-1,0),C(0,2,0),因而E(0,,),F(,,0),所以=(,0,-),=(0,2,0),因此·=0,
从而⊥,所以EF⊥BC.
(2)方法一:在图1中过O作OG⊥BF,垂足为G连EG,由平面ABC⊥平面BDC,从而EO⊥平面BDC,
又OG⊥BF,由三垂线定理知EG⊥BF.
因此∠EGO为二面角E-BF-C的平面角,
在△EOC中,EO=EC=BC·cos30°=,
由△BGO∽△BFC知OG=·FC=.
因此tan∠EGO==2,从而sin∠EGO=.
即二面角的正弦值为.
方法二:在图(2)中平面BFC的一个法向量为n1=(0,0,1),设平面BEF的法向量n2=(x,y,z)
图2
又=(,,0),=(0,,).
由得其中一个n2=(1,-,1)
设二面角E-BF-C的大小为θ,由题意知θ为锐角,则cosθ=|cos<n1,n2>|=||=.
因此sinθ==.
即所求二面角的正弦值为.
21.(本小题满分14分)(文) (2022·保定模拟)如图,在三棱锥P-ABC中,平面PAC⊥平面ABC,PA⊥AC,AB⊥BC.设D、E分别为PA、AC中点.
(1)求证:DE∥平面PBC;
(2)求证:BC⊥平面PAB;
(3)试问在线段AB上是否存在点F,使得过三点D,E,F的平面内的任一条直线都与平面PBC平行?若存在,指出点F的位置并证明;若不存在,请说明理由.
[解析] (1)证明:由于点E是AC中点,点D为PA的中点,
所以DE∥PC.
又由于DE平面PBC,PC平面PBC,
所以DE∥平面PBC.
(2)证明:由于平面PAC⊥平面ABC,平面PAC∩平面ABC=AC,又PA平面PAC,PA⊥AC,
所以PA⊥平面ABC.所以PA⊥BC.
又由于AB⊥BC,且PA∩AB=A,
所以BC⊥平面PAB.
(3)当点F是线段AB中点时,过点D,E,F的平面内的任一条直线都与平面PBC平行.
取AB中点F,连EF,DF.
由(1)可知DE∥平面PBC.
由于点E是AC中点,点F为AB的中点,
所以EF∥BC.
又由于EF平面PBC,BC平面PBC,
所以EF∥平面PBC.
又由于DE∩EF=E,所以平面DEF∥平面PBC,
所以平面DEF内的任一条直线都与平面PBC平行.
故当点F是线段AB中点时,过点D,E,F所在平面内的任一条直线都与平面PBC平行.
(理)(2022·保定模拟)如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,AB⊥AC.
(1)求证:AC⊥PB;
(2)设 O,D分别为AC,AP的中点,点G为△OAB内一点,且满足=(+),求证:DG∥平面PBC;
(3)若AB=AC=2,PA=4,求二面角A-PB-C的余弦值.
[解析] (1)由于PA⊥平面ABC,AC平面ABC,
所以PA⊥AC.
又由于AB⊥AC,且PA∩AB=A,
所以AC⊥平面PAB.
又由于PB平面PAB,
所以AC⊥PB.
(2)解法1:由于PA⊥平面ABC,所以PA⊥AB,PA⊥AC,又由于AB⊥AC,
所以建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz.
设AC=2a,AB=b,PA=2c,
则A(0,0,0),B(0,b,0),C(2a,0,0),D(0,0,c),O(a,0,0),P(0,0,2c)
又由于=(+),所以=(-a,,0).
∴G(,,0)
于是=(,,-c),
=(2a,-b,0),=(0,b,-2c).
设平面PBC的一个法向量
n=(x0,y0,z0),则有
即
不妨设z0=1,则有y0=,x0=,
所以n=(,,1).
由于n·
=(,,1)·(,,-c)=·+·+1·(-c)=0,
所以n⊥.又由于DG平面PBC,
所以DG∥平面PBC.
解法2:取AB中点E,连接OE,则=(+)
由已知=(+)可得=OE.
则点G在OE上.连接AG并延长交CB于F,连接PF
由于O,E分别为AC,AB的中点,
所以OE∥BC,即G为AF的中点.
又由于D为线段PA的中点,
所以DG∥PF.
又DG平面PBC,PF平面PBC.
所以DG∥平面PBC.
(3)由(2)可知平面PBC的一个法向量n=(,,1)=(2,2,1).
又由于AC⊥平面PAB,所以平面PAB的一个法向量是=(2,0,0).
又cos<n·>===,
由图可知,二面角A-PB-C为锐角,
所以二面角A-PB-C的余弦值为.
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