2025高考数学一轮复习 第36讲 空间直角坐标系与空间向量 课件+专项训练(含解析)

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名称 2025高考数学一轮复习 第36讲 空间直角坐标系与空间向量 课件+专项训练(含解析)
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科目 数学
更新时间 2024-08-13 09:15:49

文档简介

第36讲-空间直角坐标系与空间向量-专项训练【原卷版】
1.已知向量a=(1,1,0),b=(-1,0,2),且ka+b与2a-b互相垂直,则k的值是(  )
A.        B.2
C. D.1
2.如图,在平行六面体ABCD A′B′C′D′中,AC与BD的交点为O,点M在BC′上,且BM=2MC′,则下列向量中与相等的向量是(  )
A.-++
B.-++
C.++
D.-+
3.若两条不重合直线l1和l2的方向向量分别为v1=(1,0,-1),v2=(-2,0,2),则l1和l2的位置关系是(  )
A.平行 B.相交
C.垂直 D.不确定
4.在空间四边形ABCD中,·+·+·=(  )
A.-1 B.0
C.1 D.不确定
5.已知空间任意一点O和不共线的三点A,B,C,若=x+y+z (x,y,z∈R),则“x=2,y=-3,z=2”是“P,A,B,C四点共面”的(  )
A.必要不充分条件 B.充分不必要条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
6.(多选)下列利用方向向量、法向量判断线、面位置关系的结论中,正确的是(  )
A.两条不重合直线l1,l2的方向向量分别是a=(2,3,-1),b=(-2,-3,1),则l1∥l2
B.两个不同的平面α,β的法向量分别是u=(2,2,-1),v=(-3,4,2),则α⊥β
C.直线l的方向向量a=(1,-1,2),平面α的法向量是u=(6,4,-1),则l⊥α
D.直线l的方向向量a=(0,3,0),平面α的法向量是u=(0,-5,0),则l∥α
7.若a=(1,1,0),b=(-1,0,2),则与a+b同方向的单位向量是________.
8.已知A(1,-2,11),B(4,2,3),C(x,y,15)三点共线,则xy=________.
9.如图,已知在直三棱柱ABC A1B1C1中,AC⊥BC,D为AB的中点,AC=BC=BB1.
(1)求证:BC1⊥AB1;
(2)求证:BC1∥平面CA1D.
10.(多选)已知向量a·b=b·c=a·c,b=(3,0,-1),c=(-1,5,-3),下列等式中正确的是(  )
A.(a·b)c=b·c
B.(a+b)·c=a·(b+c)
C.(a+b+c)2=a2+b2+c2
D.=
11.如图,已知四棱柱ABCD A1B1C1D1的底面A1B1C1D1为平行四边形,E为棱AB的中点,=,=2,AC1与平面EFG交于点M,则=________.
12.已知O(0,0,0),A(1,2,1),B(2,1,2),P(1,1,2),点Q在直线OP上运动,当·取最小值时,点Q的坐标是________.
13.如图,棱柱ABCD A1B1C1D1的所有棱长都等于2,∠ABC和∠A1AC均为60°,平面AA1C1C⊥平面ABCD.
(1)求证:BD⊥ AA1;
(2)在直线CC1上是否存在点P,使BP∥平面DA1C1?若存在,求出点P的位置,若不存在,请说明理由.
14.(多选)定义向量的外积:a×b叫做向量a与b的外积,它是一个向量,满足下列两个条件:(1)a⊥(a×b),b⊥(a×b),且a,b和a×b构成右手系(三个向量的方向依次与拇指、食指、中指的指向一致);(2)a×b的模|a×b|=|a|·|b|·sin〈a,b〉(〈a,b〉表示向量a,b的夹角).如图所示,在正方体ABCD A1B1C1D1中,有以下四个结论,不正确的有(  )
A.×与方向相反
B.×=×
C.6|×|与正方体表面积的数值相等
D.(×)·与正方体体积的数值相等
15.如图所示,已知四棱锥P ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,平面PBC⊥底面ABCD.求证:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
第36讲-空间直角坐标系与空间向量-专项训练【解析版】
1.已知向量a=(1,1,0),b=(-1,0,2),且ka+b与2a-b互相垂直,则k的值是(  )
A.        B.2
C. D.1
解析:A 因为a=(1,1,0),b=(-1,0,2),所以a·b=-1,|a|=,|b|=,又ka+b与2a-b互相垂直,所以(ka+b)·(2a-b)=0,即2k|a|2-ka·b+2a·b-|b|2=0,即4k+k-2-5=0,所以k=.故选A.
2.如图,在平行六面体ABCD A′B′C′D′中,AC与BD的交点为O,点M在BC′上,且BM=2MC′,则下列向量中与相等的向量是(  )
A.-++
B.-++
C.++
D.-+
解析:C 因为BM=2MC′,所以=,在平行六面体ABCD A′B′C′D′中,=+=+=+(+)=(-)+(+)=++,故选C.
3.若两条不重合直线l1和l2的方向向量分别为v1=(1,0,-1),v2=(-2,0,2),则l1和l2的位置关系是(  )
A.平行 B.相交
C.垂直 D.不确定
解析:A 因为两条不重合直线l1和l2的方向向量分别为v1=(1,0,-1),v2=(-2,0,2),所以v2=-2v1,即v2与v1共线,所以两条不重合直线l1和l2的位置关系是平行.
4.在空间四边形ABCD中,·+·+·=(  )
A.-1 B.0
C.1 D.不确定
解析:B 如图,令=a,=b,=c,则·+·+·=a·(c-b)+b·(a-c)+c·(b-a)=a·c-a·b+b·a-b·c+c·b-c·a=0.
5.已知空间任意一点O和不共线的三点A,B,C,若=x+y+z (x,y,z∈R),则“x=2,y=-3,z=2”是“P,A,B,C四点共面”的(  )
A.必要不充分条件 B.充分不必要条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
解析:B 当x=2,y=-3,z=2时,即=2-3+2.则-=2-3(-)+2(-),即=-3+2,根据共面向量定理知,P,A,B,C四点共面;反之,当P,A,B,C四点共面时,根据共面向量定理,设=m+n (m,n∈R),即-=m(-)+n(-),即=(1-m-n)+m+n,即x=1-m-n,y=m,z=n,这组数显然不止2,-3,2.故“x=2,y=-3,z=2”是“P,A,B,C四点共面”的充分不必要条件.
6.(多选)下列利用方向向量、法向量判断线、面位置关系的结论中,正确的是(  )
A.两条不重合直线l1,l2的方向向量分别是a=(2,3,-1),b=(-2,-3,1),则l1∥l2
B.两个不同的平面α,β的法向量分别是u=(2,2,-1),v=(-3,4,2),则α⊥β
C.直线l的方向向量a=(1,-1,2),平面α的法向量是u=(6,4,-1),则l⊥α
D.直线l的方向向量a=(0,3,0),平面α的法向量是u=(0,-5,0),则l∥α
解析:AB 对于A,两条不重合直线l1,l2的方向向量分别是a=(2,3,-1),b=(-2,-3,1),则b=-a,所以l1∥l2,选项A正确;对于B,两个不同的平面α,β的法向量分别是u=(2,2,-1),v=(-3,4,2),则u·v=2×(-3)+2×4-1×2=0,所以α⊥β,选项B正确;对于C,直线l的方向向量a=(1,-1,2),平面α的法向量是u=(6,4,-1),则a·u=1×6-1×4+2×(-1)=0,所以l∥α或l α,选项C错误;对于D,直线l的方向向量a=(0,3,0),平面α的法向量是u=(0,-5,0),则u=-a,所以l⊥α,选项D错误.故选A、B.
7.若a=(1,1,0),b=(-1,0,2),则与a+b同方向的单位向量是________.
解析:与a+b同方向的单位向量是(0,1,2)=.
答案:
8.已知A(1,-2,11),B(4,2,3),C(x,y,15)三点共线,则xy=________.
解析:由三点共线得向量与共线,即=k,(3,4,-8)=k(x-1,y+2,4),==,解得x=-,y=-4,∴xy=2.
答案:2
9.如图,已知在直三棱柱ABC A1B1C1中,AC⊥BC,D为AB的中点,AC=BC=BB1.
(1)求证:BC1⊥AB1;
(2)求证:BC1∥平面CA1D.
证明:如图,以C1点为原点,C1A1,C1B1,C1C所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立空间直角坐标系.
设AC=BC=BB1=2,则A(2,0,2),B(0,2,2),C(0,0,2),A1(2,0,0),B1(0,2,0),C1(0,0,0),D(1,1,2).
(1)∵=(0,-2,-2),=(-2,2,-2),∴·=0-4+4=0,∴⊥,∴BC1⊥AB1.
(2)取A1C的中点E,则E(1,0,1),∴=(0,1,1),又1=(0,-2,-2),
∴=-,且ED和BC1不重合,则ED∥BC1.又ED 平面CA1D,BC1 平面CA1D,
故BC1∥平面CA1D.
10.(多选)已知向量a·b=b·c=a·c,b=(3,0,-1),c=(-1,5,-3),下列等式中正确的是(  )
A.(a·b)c=b·c
B.(a+b)·c=a·(b+c)
C.(a+b+c)2=a2+b2+c2
D.=
解析:BCD 由题意知b·c=-3+0+3=0,所以a·b=b·c=a·c=0,(a·b)c=0,b·c=0,不相等,所以A选项错误;(a+b)·c-a·(b+c)=a·c+b·c-a·b-a·c=0,所以(a+b)·c=a·(b+c),所以B选项正确;(a+b+c)2=a2+b2+c2+2a·b+2b·c+2a·c=a2+b2+c2,所以C选项正确;(a-b-c)2=a2+b2+c2-2a·b+2b·c-2a·c=a2+b2+c2,即(a+b+c)2=(a-b-c)2,|a+b+c|=|a-b-c|,所以D选项正确.
11.如图,已知四棱柱ABCD A1B1C1D1的底面A1B1C1D1为平行四边形,E为棱AB的中点,=,=2,AC1与平面EFG交于点M,则=________.
解析:由题图知,设=λ (0<λ<1),由已知=++=2+3+,所以=2λ+3λ+,因为M,E,F,G四点共面,所以2λ+3λ+=1,解得λ=.
答案:
12.已知O(0,0,0),A(1,2,1),B(2,1,2),P(1,1,2),点Q在直线OP上运动,当·取最小值时,点Q的坐标是________.
解析:由题意,设=λ,则=(λ,λ,2λ),即Q(λ,λ,2λ),则=(1-λ,2-λ,1-2λ),=(2-λ,1-λ,2-2λ),∴·=(1-λ)(2-λ)+(2-λ)(1-λ)+(1-2λ)(2-2λ)=6λ2-12λ+6=6(λ-1)2,当λ=1时取最小值,此时Q点坐标为(1,1,2).
答案:(1,1,2)
13.如图,棱柱ABCD A1B1C1D1的所有棱长都等于2,∠ABC和∠A1AC均为60°,平面AA1C1C⊥平面ABCD.
(1)求证:BD⊥ AA1;
(2)在直线CC1上是否存在点P,使BP∥平面DA1C1?若存在,求出点P的位置,若不存在,请说明理由.
解:(1)证明:设BD与AC交于点O,
则BD⊥AC,连接A1O,
在△AA1O中,AA1=2,AO=1,∠A1AO=60°,
所以A1O2=AA+AO2-2AA1·AOcos 60°=3,
所以AO2+A1O2=AA,
所以A1O⊥AO.
由于平面AA1C1C⊥平面ABCD,且平面AA1C1C∩平面ABCD=AC,A1O 平面AA1C1C,
所以A1O⊥平面ABCD.
以OB,OC,OA1所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(0,-1,0),B(,0,0),C(0,1,0),D(-,0,0),A1(0,0,),C1(0,2,).
由于=(-2,0,0),=(0,1,),·=0×(-2)+1×0+×0=0,
所以⊥,即BD⊥AA1.
(2)假设在直线CC1上存在点P,使BP∥平面DA1C1,
设=λ,P(x,y,z),则(x,y-1,z)=λ(0,1,).
从而有P(0,1+λ,λ),=(-,1+λ,λ).
设平面DA1C1的一个法向量为n=(x,y,z),则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(n·=0,,n·=0,))
又=(0,2,0),=(,0,),则取n=(1,0,-1),
因为BP∥平面DA1C1,所以n⊥,即n·=--λ=0,解得λ=-1,
即点P在C1C的延长线上,且CP=CC1.
14.(多选)定义向量的外积:a×b叫做向量a与b的外积,它是一个向量,满足下列两个条件:(1)a⊥(a×b),b⊥(a×b),且a,b和a×b构成右手系(三个向量的方向依次与拇指、食指、中指的指向一致);(2)a×b的模|a×b|=|a|·|b|·sin〈a,b〉(〈a,b〉表示向量a,b的夹角).如图所示,在正方体ABCD A1B1C1D1中,有以下四个结论,不正确的有(  )
A.×与方向相反
B.×=×
C.6|×|与正方体表面积的数值相等
D.(×)·与正方体体积的数值相等
解析:ABD A选项,根据向量外积的第一个性质可知×与的方向相同,故A错;B选项,根据向量外积的第一个性质可知×与×的方向相反,不可能相等,故B错;C选项,根据向量外积的第二个性质可知正方形ABCD的面积为|×|=||×||×sin ,则6|×|与正方体表面积的数值相等,故C对;D选项,×与的方向相反,则(×)·<0,故D错,故选A、B、D.
15.如图所示,已知四棱锥P ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,平面PBC⊥底面ABCD.求证:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
证明:(1)取BC的中点O,连接PO,
∵△PBC为等边三角形,∴PO⊥BC,
∵平面PBC⊥底面ABCD,平面PBC∩底面ABCD=BC,PO 平面PBC,∴PO⊥底面ABCD.
以BC的中点O为坐标原点,以BC所在直线为x轴,过点O与AB平行的直线为y轴,OP所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,如图所示.
不妨设CD=1,则AB=BC=2,PO=,
∴A(1,-2,0),B(1,0,0),D(-1,-1,0),P(0,0,),
∴=(-2,-1,0),=(1,-2,-),
∵·=(-2)×1+(-1)×(-2)+0×(-)=0,
∴⊥,∴PA⊥BD.
(2)取PA的中点M,连接DM,则M.
∵=,=(1,0,-),
∴·=×1+0×0+×(-)=0.
∴⊥,即DM⊥PB.
∵·=×1+0×(-2)+×(-)=0,
∴⊥,即DM⊥PA.
又∵PA∩PB=P,PA 平面PAB,PB 平面PAB,
∴DM⊥平面PAB.
∵DM 平面PAD,∴平面PAD⊥平面PAB.(共56张PPT)
第36讲 空间直角坐标系与空间向量
第七章 
立体几何
1.已知点M在z轴上,且点M到点A(1,0,2)与到点B(1,-3,1)的距离相等,则点M的坐标是 (  )
A.(0,0,3) B.(0,0,2)
C.(0,0,-2) D.(0,0,-3)
激 活 思 维
【解析】
D
C
【解析】
3.已知直线l的一个方向向量为m=(x,2,-5),平面α的一个法向量为n=(3,-1,2),若l∥α,则x= (  )
A.-6 B.6
C.-4 D.4
D
【解析】
由题知m·n=3x-2-10=0,可得x=4.
4.已知a=(-3,2,5),b=(1,5,-1),则3a-b=_________________,a·b=_____.
(-10,1,16)
【解析】
因为a=(-3,2,5),b=(1,5,-1),所以3a-b=(-9,6,15)-(1,5,-1)=(-10,1,16),a·b=-3+10-5=2.
2
10
【解析】
1.空间向量中的有关定理
(1) 共线向量定理
空间中两个向量a与b(b≠0)共线的充要条件是存在实数λ,使得_________.
(2) 共面向量定理
共面向量定理的向量表达式:_____________,
其中x,y∈R,a,b为不共线的向量.
(3) 空间向量基本定理
如果三个向量a,b,c不共面,那么对任意一个空间向量p,存在唯一的有序实数组(x,y,z),使得_________________,{a,b,c}叫做空间中的____________.
聚 焦 知 识
a=λb
p=xa+yb
p=xa+yb+zc
一个基底
2.空间向量的坐标表示及其应用
设a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3).
a1b1+a2b2+a3b3
a1=λb1,a2=λb2,a3=λb3
a1b1+a2b2+a3b3=0
3.空间位置关系的向量表示
位置关系 向量表示
直线l1,l2的方向向量分别为n1,n2 l1∥l2 n1∥n2 n1=λn2
l1⊥l2 n1⊥n2 n1·n2=0
直线l的方向向量为n,平面α的法向量为m l∥α n⊥m m·n=0
l⊥α n∥m n=λm
平面α,β的法向量分别为n,m α∥β n∥m n=λm
α⊥β n⊥m n·m=0
4.常用结论
空间向量的线性运算及共线、共面定理
举 题 说 法
【解析】
1-1
1-2
【解答】
1-2
【解答】
空间向量数量积的运算及应用
2
【解析】
【答案】3
变式 如图,在平行六面体ABCD-A′B′C′D′中,AB=2,AD=2,AA′=3,∠BAD=∠BAA′=∠DAA′=60°,则BC′与CA′所成角的余弦值为_______.
【解析】
0
如图,在直三棱柱ADE-BCF中,平面ABFE和平面ABCD都是正方形且互相垂直,M为AB的中点,O为DF的中点.
(1) 求证:OM∥平面BCF;
利用空间向量证明平行与垂直问题
3
由题意知AB,AD,AE两两垂直,以点A为原点建立如图所示的空间直角坐标系.
【解答】
【答案】D
如图,在直三棱柱ADE-BCF中,平面ABFE和平面ABCD都是正方形且互相垂直,M为AB的中点,O为DF的中点.
(2) 求证:平面MDF⊥平面EFCD.
3
设平面MDF与平面EFCD的法向量分别为n1=(x1,y1,z1),n2=(x2,y2,z2).
【解答】
同理可得n2=(0,1,1).因为n1·n2=0,所以平面MDF⊥平面EFCD.
变式 如图,在底面是矩形的四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,E,F分别是PB,PD的中点,PA=AB=1,BC=2.用向量方法证明:
(1) EF∥平面ABCD;
以点A为原点,AB所在直线为x轴,AD所在直线为y轴,AP所在直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
【解答】
变式 如图,在底面是矩形的四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,E,F分别是PB,PD的中点,PA=AB=1,BC=2.用向量方法证明:
(2) 平面PAD⊥平面PDC.
【解答】
因为DC 平面PDC,所以平面PAD⊥平面PDC.
随 堂 练习
【解析】
【答案】D
如图,连接DC1,CD1,则CD1∩DC1=M.
2.已知点A(4,1,3),B(2,3,1),C(3,7,-5),点P(x,-1,3)在平面ABC内,则x的值为 (  )
A.-4 B.1
C.10 D.11
AB
【解析】
【解析】
【答案】A
4.如图,在三棱锥A-BCD中,DA,DB,DC两两垂直,且DB=DC=DA=2,E为BC的中点.
(1) 求证:AE⊥BC;
【解答】
4.如图,在三棱锥A-BCD中,DA,DB,DC两两垂直,且DB=DC=DA=2,E为BC的中点.
(2) 求直线AE与DC所成角的余弦值.
【解答】
配套精练
A组 夯基精练
一、 单项选择题
1.已知直线l的方向向量为l,平面α与β的法向量分别为m,n,则下列选项正确的是 (  )
A.若l⊥α,则l·m=0
B.若l∥β,则l=kn
C.若α⊥β,则m·n=0
D.若α∥β,则m·n=0
C
2.已知向量a=(-2,1,3),b=(-1,3,2),c=(1,t,-1)共面,则实数t的值是(  )
A.1 B.-1
C.2 D.-2
C
【解析】
因为a,b,c共面,所以存在x,y∈R,使得c=x a+y b,整理得(1,t,-1)=(-2x-y,x+3y,3x+2y),解得x=-1,y=1,t=2.
3.如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,设BC1与B1C相交于点O,∠A1AB=∠A1AC=∠BAC=60°,A1A=3,AB=AC=2,则线段AO的长度为(  )
【解析】
【答案】A
【答案】B
【解析】
【解析】
【答案】AC
【解析】
如图,以D为原点,DA,DC,DD1所在的直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,
【答案】ACD
【解析】
【答案】ABD
设AC∩BD=O,A1B2=A1A2+AB2-2AA1·AB cos ∠A1AB,A1D2=A1A2+AD2-2AA1·AD cos ∠A1AD,因为AB=AD,∠A1AB=∠A1AD,所以A1B=A1D,故A1O⊥BD,又AC⊥BD,A1O∩AC=O,A1O,AC 平面ACC1A1,所以BD⊥平面ACC1A1,
由于AA1 平面ACC1A1,故BD⊥AA1,由于AA1∥BB1,进而BD⊥BB1,所以平行四边形BDD1B1为矩形,故A正确;
三、 解答题
8.如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,M,N,E,F分别为棱AB,BC,AA1,D1C1的中点,连接CD1,EM,MN,EN,NF,EF.
(1) 求证:D1C∥平面EMN;
【解答】
在长方体ABCD-A1B1C1D1中,设AD=2a,DC=2b,DD1=2c,如图,建立空间直角坐标系,则D(0,0,0),A(2a,0,0),C(0,2b,0),B(2a,2b,0),D1(0,0,2c),A1(2a,0,2c),C1(0,2b,2c),B1(2a,2b,2c),则M(2a,b,0),N(a,2b,0),E(2a,0,c),F(0,b,2c).
8.如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,M,N,E,F分别为棱AB,BC,AA1,D1C1的中点,连接CD1,EM,MN,EN,NF,EF.
(2) 求证:E,F,N,M四点共面.
【解答】
(1) 求证:EF∥平面PAD;
【解答】
设AD=a,如图,取AD的中点O,连接OP,OF.
因为PA=PD,所以PO⊥AD.因为侧面PAD⊥底面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,PO 平面PAD,所以PO⊥平面ABCD.
又O,F分别为AD,BD的中点,所以OF∥AB.又四边形ABCD是正方形,所以OF⊥AD.
(2) 求证:平面PAB⊥平面PDC.
【解答】
10.如图,已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD是边长为1的正方形,AA1=2,∠A1AB=∠A1AD=120°.
(1) 求线段AC1的长;
【解答】
【解答】
10.如图,已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD是边长为1的正方形,AA1=2,∠A1AB=∠A1AD=120°.
(2) 求异面直线AC1与A1D所成角的余弦值;
【解答】
10.如图,已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD是边长为1的正方形,AA1=2,∠A1AB=∠A1AD=120°.
(3) 求证:AA1⊥BD.
B组 滚动小练
11.已知a,b为正实数,且ab-3(a+b)+8=0,则ab的取值范(  )
A.[2,4] B.(0,2]∪[4,+∞)
C.[4,16] D.(0,4]∪[16,+∞)
D
【解析】
1
【解析】
【解答】
【解答】
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