2022版新教材高中数学 第一章 空间向量与立体几何 本章达标检测（含解析）新人教A版选择性必修第一册.docx

1、本章达标检测(满分:150分;时间:120分钟)一、单项选择题(本大题共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.如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,以棱AB、AD、AA1所在的直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,则DC1的中点坐标为()A.12,1,1 B.1,12,1C.12,12,1 D.12,1,122.已知a=(1,2,-y),b=(x,1,2),且(a+2b)(2a-b),则()A.x=13,y=1 B.x=12,y=-4C.x=2,y=-14D.x=1,y=-13.已知三棱锥O-ABC,点P为平面ABC上的一点,且

2、OP=12OA+mOB-nOC(m,nR),则m,n的值可能为()A.m=1,n=-12 B.m=12,n=1C.m=-12,n=-1 D.m=32,n=14.如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,AB=a,AD=b,AA1=c,M是A1D1的中点,点N是CA1上的点,且CNNA1=14,用a,b,c表示向量MN的结果是()A.12a+b+c B.15a+15b+45cC.15a-310b-15c D.45a+310b-45c5.已知OA=(1,2,3),OB=(2,-2,1),OC=(1,1,2),若点D是AC的中点,则BCOD=()A.2B.-32C.-3D.66.给出以下命

3、题,其中正确的是()A.直线l的方向向量为a=(1,-1,2),直线m的方向向量为b=2,1,-12,则l与m垂直B.直线l的方向向量为a=(0,1,-1),平面的法向量为n=(1,-1,-1),则lC.平面、的法向量分别为n1=(0,1,3),n2=(1,0,2),则D.平面经过三个点A(1,0,-1),B(0,-1,0),C(-1,2,0),向量n=(1,u,t)是平面的法向量,则u+t=17.在四棱锥P-ABCD中,PA底面ABCD,PA=2,底面ABCD为边长为2的正方形,E为BC的中点,则异面直线BD与PE所成角的余弦值为()A.26 B.36 C.23 D.338.在棱长为2的正四

4、面体ABCD中,点M满足AM=xAB+yAC-(x+y-1)AD,点N满足BN=BA+(1-)BC,当AM、BN最短时,AMMN=(深度解析)A.-43 B.43 C.-13 D.13二、多项选择题(本大题共4小题,每小题5分,共20分.在每小题给出的选项中,有多个选项符合题目要求,全部选对的得5分,部分选对的得3分,有选错的得0分)9.给出下列命题,其中正确的有(深度解析)A.空间任意三个向量都可以作为一个基底B.已知向量ab,则a,b与任何向量都不能构成空间的一个基底C.A,B,M,N是空间中的四个点,若BA,BM,BN不能构成空间的一个基底,那么A,B,M,N四点共面D.已知a,b,c是

5、空间的一个基底,若m=a+c,则a,b,m也是空间的一个基底10.设几何体ABCD-A1B1C1D1是棱长为a的正方体,以下结论正确的有()A.ABC1A=-a2B.ABA1C1=2a2C.BCA1D=a2D.ABC1A1=a211.正方形ABCD沿对角线BD折成直二面角,结论正确的有()A.AD与BC所成的角为30B.AC与BD所成的角为90C.BC与面ACD所成角的正弦值为33D.平面ABC与平面BCD的夹角的正切值是212.在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=23,AD=AA1=2,P、Q、R分别是AB、BB1、A1C上的动点,下列结论正确的是()A.对于任意给定的点P,存在点Q

6、,使得D1PCQB.对于任意给定的点Q,存在点R,使得D1RCQC.当ARA1C时,ARD1RD.当A1C=3A1R时,D1R平面BDC1三、填空题(本大题共4小题,每小题5分,共20分.将答案填在题中横线上)13.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=60,则AD1AC=,|AC1|=.(本题第一空3分,第二空2分)14.如图,在正四棱锥P-ABCD中,PA=AB,点M为PA的中点,BD=BN.若MNAD,则实数=.15.如图,在菱形ABCD中,AB=23,BAD=60,沿对角线BD将ABD折起,使点A、C之间的距离为32

7、,若P、Q分别为线段BD、CA上的点,则线段PQ的最小值为.16.如图所示,五面体ABCDE中,正ABC的边长为1,AE平面ABC,CDAE,且CD=12AE,设CE与平面ABE所成角为,AE=k(k0),若6,4,则当k取最大值时,平面BDE与平面ABC夹角的正切值为.四、解答题(本大题共6小题,共70分.解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤)17.(本小题满分10分)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是矩形,PA平面ABCD,M、N、R分别是AB、PC、CD的中点.求证:(1)直线AR平面PMC;(2)直线MN直线AB.(用向量方法)18.(本小题满分12分)如图所示为一个半圆柱

8、,E为半圆弧CD上一点,CD=5.(1)若AD=25,求四棱锥E-ABCD的体积的最大值;(2)有三个条件:4DEDC=ECDC;直线AD与BE所成角的正弦值为23;sinEABsinEBA=62.请你从中选择两个作为条件,求直线AD与平面EAB所成角的余弦值.19.(本小题满分12分)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,侧棱PA底面ABCD,AB=3,BC=1,PA=2,E为PD的中点.(1)求异面直线AC与PB之间的距离;(2)在侧面PAB内找一点N,使NE平面PAC,并求出N到AB和AP的距离.20.(本小题满分12分)如图,在三棱锥P-ABC中,AB=BC=22,PA=P

9、B=PC=AC=4,O为AC的中点.(1)证明:PO平面ABC;(2)若点M在棱BC上,且二面角M-PA-C为30,求PC与平面PAM所成角的正弦值.21.(本小题满分12分)如图,在四棱锥E-ABCD中,底面ABCD为直角梯形,其中CDAB,BCAB,侧面ABE平面ABCD,且AB=AE=BE=2BC=2CD=2,动点F在棱AE上,且EF=FA.(1)试探究的值,使CE平面BDF,并给予证明;(2)当=1时,求直线CE与平面BDF所成角的正弦值.22.(本小题满分12分)如图,在四棱锥S-ABCD中,四边形ABCD是矩形,SAD是等边三角形,平面SAD平面ABCD,AB=1,E为棱SA上一点

10、,P为棱AD的中点,四棱锥S-ABCD的体积为233.(1)若E为棱SA的中点,F是SB的中点,求证:平面PEF平面SCD;(2)是否存在点E,使得平面PEB与平面SAD的夹角的余弦值为3010?若存在,确定点E的位置;若不存在,请说明理由.答案全解全析一、单项选择题1.D由题意得,C1(1,1,1),D(0,1,0),根据中点坐标公式得DC1的中点坐标为12,1,12.故选D.2.B由题意可得,a+2b=(1+2x,4,4-y),2a-b=(2-x,3,-2y-2).(a+2b)(2a-b),R,使a+2b=(2a-b),得1+2x=(2-x),4=3,4-y=(-2y-2),解得=43,x

11、=12,y=-4,故选B.3.COP=12OA+mOB-nOC(m,nR),且P、A、B、C四点共面,12+m-n=1,即m-n=12,结合选项知只有m=-12,n=-1符合.故选C.4.D由题意可得,MN=A1N-A1M=45A1C-12AD=45(A1B1+A1D1+A1A)-12=45AB+310AD-45AA1=45a+310b-45c,故选D.5.DD为AC的中点,OD=12(OA+OC)=1,32,52,又BC=OC-OB=(-1,3,1),BCOD=(-1)1+332+152=6.故选D.6.A对于A,ab=2-1-1=0,ab,l与m垂直,A正确;对于B,a与n不共线,直线l不

12、垂直平面,B错误;对于C,n1与n2不共线,平面与平面不平行,C错误;对于D,AB=(-1,-1,1),BC=(-1,3,0),由nAB=-1-u+t=0,nBC=-1+3u=0,解得u=13,t=43,u+t=53,D错误.故选A.7.APA底面ABCD,PAAB,PAAD,又ABAD,以A为原点,AB、AD、AP所在直线分别为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.则P(0,0,2),B(2,0,0),E(2,1,0),D(0,2,0),PE=(2,1,-2),BD=(-2,2,0).设异面直线BD与PE所成的角为,0,2,则cos=|PEBD|PE|BD|=|-4+2-0|4+1+4

13、4+4+0=26,异面直线BD与PE所成角的余弦值为26.故选A.8.A由共面向量定理和共线向量定理可知,M平面BCD,N直线AC,当AM、BN最短时,AM平面BCD,BNAC,所以M为BCD的中心,N为AC的中点,此时,2|MC|=2sin60=433,|MC|=233,AM平面BCD,MC平面BCD,AMMC,|MA|=|AC|2-|MC|2=22-2332=263.又MN=12(MC+MA),AMMN=12(AMMC+AMMA)=-12|MA|2=-43.故选A.解题反思本题考查空间向量数量积的计算,同时也涉及了利用共面向量和共线向量定理来判断四点共面和三点共线,确定动点的位置是解题的关

14、键,也考查了计算能力.二、多项选择题9.BCD选项A中,根据基底的概念,知空间中任何三个不共面的向量都可作为空间的一个基底,故A错误.选项B中,根据基底的概念,知B正确.选项C中,由BA,BM,BN不能构成空间的一个基底,知BA,BM,BN共面.又BA,BM,BN均过点B,所以A,B,M,N四点共面,故C正确.选项D中,已知a,b,c是空间的一个基底,则基向量a,b可以与向量m=a+c构成空间的另一个基底,故D正确.故选BCD.解题反思判断三个向量能否作为空间的一个基底,实质是判断这三个向量是否共面,若不共面,就可以作为一个基底,本题各选项中判断给出的向量是否共面是关键.10.AC如图,建立空

15、间直角坐标系,则A(0,0,0),B(a,0,0),C(a,a,0),D(0,a,0),A1(0,0,a),C1(a,a,a),AB=(a,0,0),BC=(0,a,0),A1C1=(a,a,0),A1D=(0,a,-a),C1A=(-a,-a,-a),C1A1=(-a,-a,0),ABC1A=-a2,ABA1C1=a2,BCA1D=a2,ABC1A1=-a2,故选AC.11.BD取BD的中点O,连接AO,CO,由题意得,以O为原点,OC所在直线为x轴,OD所在直线为y轴,OA所在直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,设OC=1,则A(0,0,1),B(0,-1,0),C(1,0,0),D

16、(0,1,0),BA=(0,1,1),AD=(0,1,-1),BC=(1,1,0),AC=(1,0,-1),BD=(0,2,0).cos=ADBC|AD|BC|=122=12,异面直线AD与BC所成的角为60,故A错误;ACBD=0,ACBD,故B正确;设平面ACD的法向量为t=(x,y,z),则tAC=x-z=0,tAD=y-z=0,取z=1,得x=1,y=1,t=(1,1,1),设BC与面ACD所成角为,则sin=|cos|=|BCt|BC|t|=223=63,故C错误;易知平面BCD的一个法向量为n=(0,0,1),设平面ABC的法向量为m=(x,y,z),则mBA=y+z=0,mBC=

17、x+y=0,取x=1,得y=-1,z=1,m=(1,-1,1),设两个平面的夹角为,则cos=|cos|=|mn|m|n|=33,sin=63,tan=2,平面ABC与平面BCD的夹角的正切值是2,故D正确.故选BD.12.AD如图所示,建立空间直角坐标系,则A(2,0,0),B(2,23,0),C(0,23,0),D(0,0,0),A1(2,0,2),C1(0,23,2),D1(0,0,2).设P(2,a,0),a0,23,Q(2,23,b),b0,2.易知A1C=(-2,23,-2).设R(x1,y1,z1),A1R=A1C,0,1,即(x1-2,y1,z1-2)=(-2,23,-2),则

18、R(2-2,23,2-2),易得D1P=(2,a,-2),CQ=(2,0,b),则D1PCQ=4-2b,当b=2时,D1PCQ,A正确;D1R=(2-2,23,-2),D1RCQ=2(2-2)-2b,由D1RCQ得D1RCQ=0,即4-4-2b=0,得=22+b,0b2,1222+b1,即121.故当012时,不存在点R使得D1RCQ,B错误;AR=(-2,23,2-2).若ARA1C,则ARA1C=(-2,23,2-2)(-2,23,-2)=4+12-4+4=0,解得=15,此时 ARD1R=-25,235,8585,235,-25=-450,C错误;A1C=3A1R,R43,233,43,

19、D1R=43,233,-23,设平面BDC1的法向量为n=(x,y,z),BD=(-2,-23,0),DC1=(0,23,2),则nBD=0,nDC1=0,即-2x-23y=0,23y+2z=0,令y=-1,则x=z=3,n=(3,-1,3),D1Rn=0,D1R平面BDC1,D正确.故选AD.三、填空题13.答案3;10解析设AB=a,AD=b,AA1=c,则由题意得|a|=1,|b|=1,|c|=2,ab=0,ac=1,bc=1,AD1AC=(b+c)(a+b)=ba+b2+ca+cb=0+1+1+1=3,|AC1|=|a+b+c|=a2+b2+c2+2ac+2bc+2ab=1+1+4+2

20、+2+0=10.14.答案4解析连接AC,交BD于点O,连接OP,以O为原点,OA所在直线为x轴,OB所在直线为y轴,OP所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,设PA=AB=2,则A(2,0,0),D(0,-2,0),M22,0,22,B(0,2,0),BD=(0,-22,0),AD=(-2,-2,0),设N(0,b,0),则BN=(0,b-2,0).BD=BN,-22=(b-2),b=2-22,N0,2-22,0,MN=-22,2-22,-22,MNAD,MNAD=1-2-4=0,解得=4.15.答案322解析取BD的中点E,连接AE、EC,则AEBD,ECBD,AE=EC=3,AC=32,A

21、E2+CE2=AC2,AEEC,以E为原点,EB、EC、EA所在直线分别为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Exyz,则C(0,3,0),A(0,0,3),CA=(0,-3,3),CQ=CA=(0,-3,3),设P(a,0,0),则PC=(-a,3,0),则PQ=PC+CQ=(-a,3,0)+(0,-3,3)=(-a,3-3,3),|PQ|=(-a)2+(3-3)2+(3)2=(-a)2+18-122+92,当a=0,=12时,|PQ|min=322.故答案为322.16.答案2解析如图所示,建立空间直角坐标系,则C(0,0,0),D0,0,k2,E(0,1,k),B32,12,0,取

22、AB的中点M,则M34,34,0,连接CM,则CMAB.AE平面ABC,CM平面ABC,AECM,又AEAB=A,CM平面ABE,平面ABE的一个法向量为CM=34,34,0,CE=(0,1,k),sin=|CECM|CE|CM|=321+k2,又6,4,12sin22,即12321+k222,解得22k2,k的最大值为2.当k=2时,DE=0,1,22,BE=-32,12,2,设平面BDE的法向量为n=(x,y,z),则nDE=y+22z=0,nBE=-32x+12y+2z=0,令y=-1,则x=3,z=2,n=(3,-1,2),取平面ABC的一个法向量为m=(0,0,1),设平面BDE和平

23、面ABC的夹角为,则cos=|nm|n|m|=33,sin=63,tan=2.四、解答题17.证明如图,建立空间直角坐标系,设AB=a,AD=b,AP=c,则A(0,0,0),B(a,0,0),C(a,b,0),Ma2,0,0,Na2,b2,c2,Ra2,b,0.(2分)(1)AR=a2,b,0,MC=a2,b,0,AR=MC,ARMC,(4分)又AR平面PMC,MC平面PMC,直线AR平面PMC.(6分)(2)MN=0,b2,c2,AB=(a,0,0),(8分)ABMN=0,MNAB.(10分)18.解析(1)在平面EDC内作EFCD于点F,因为平面ABCD平面EDC,平面ABCD平面EDC

24、=DC,所以EF平面ABCD.(2分)因为E为半圆弧CD上一点,所以CEED,所以VE-ABCD=13S四边形ABCDEF=13525CEEDCD=253CEED,(4分)因为CE2+ED2=CD2=5,所以VE-ABCD253CE2+ED22=25352=553,当且仅当CE=ED=102时,等号成立,所以四棱锥E-ABCD的体积的最大值为553.(6分)(2)由条件,得4|DE|DC|cosCDE=|CE|CD|cosDCE,即4DE2=CE2,所以2DE=CE,又因为DE2+CE2=5,所以DE=1,CE=2.由条件,得因为ADBC,BC平面DCE,所以CBE为直线AD与BE所成角,且s

25、inCBE=23=CEBE,CEBC=tanCBE=255.由条件,得sinEABsinEBA=EBEA=62,设AD=x,则x2+CE2x2+DE2=32.若选条件,则DE=1,CE=2,且CEBC=tanCBE=255,所以AD=BC=5.若选条件,则DE=1,CE=2,且x2+CE2x2+DE2=32,所以AD=BC=5.若选条件,则CEx=tanCBE=255,且x2+CE2x2+DE2=32,DE2+CE2=5,所以AD=BC=5.即从任选两个作为条件,都可以得到AD=BC=5,(9分)下面求AD与平面EAB所成角的正弦值.以A为原点,AB所在直线为x轴,AD所在直线为z轴,过点A与

26、AB垂直的直线为y轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则A(0,0,0),B(5,0,0),D(0,0,5),E55,255,5,所以AE=55,255,5,AB=(5,0,0),AD=(0,0,5),设平面EAB的法向量为m=(x,y,z),则AEm=0,ABm=0,即55x+255y+5z=0,5x=0,令z=1,则x=0,y=-52,所以m=0,-52,1,(10分)所以cos=55292=22929,(11分)因为AD与平面EAB所成角=2-,所以AD与平面EAB所成角的余弦值为52929.(12分)19.解析(1)由题意得ABAD,PAAD,PAAB.以A为原点,AB所在直线为x轴,A

27、D所在直线为y轴,AP所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,如图,则A(0,0,0),C(3,1,0),P(0,0,2),B(3,0,0),(1分)AC=(3,1,0),PB=(3,0,-2),AP=(0,0,2),(2分)设异面直线AC、PB的公垂线的方向向量为n=(x,y,z),则nAC,nPB,nAC=3x+y=0,nPB=3x-2z=0,(4分)令x=1,则y=-3,z=32,即n=1,-3,32.则异面直线AC与PB之间的距离d=|APn|n|=31+3+34=25719.(6分)(2)设点N(a,0,c),(7分)易知E0,12,1,NE=-a,12,1-c,(8分)NEAP=2(1

28、-c)=0,NEAC=-3a+12=0,(10分)解得a=36,c=1,N36,0,1,(11分)N到AB的距离为1,N 到AP的距离为36.(12分)20.解析(1)证明:因为AP=CP=AC=4,O为AC的中点,所以OPAC,且OP=23.连接OB.(1分)因为AB=BC=22AC,所以ABC为等腰直角三角形,且OBAC,OB=12AC=2.(2分)由OP2+OB2=PB2知POOB.(3分)由OPOB,OPAC,OBAC=O知PO平面ABC.(4分)(2)如图,以O为坐标原点,OB的方向为x轴正方向,建立空间直角坐标系Oxyz.(5分)由题意得O(0,0,0),B(2,0,0),A(0,

29、-2,0),C(0,2,0),P(0,0,23),AP=(0,2,23).易得平面PAC的一个法向量为OB=(2,0,0).设M(a,2-a,0)(0a2),则AM=(a,4-a,0).(7分)设平面PAM的法向量为n=(x,y,z).由APn=0,AMn=0,得2y+23z=0,ax+(4-a)y=0,(8分)可取n=(3(a-4),3a,-a),所以cos=23(a-4)23(a-4)2+3a2+a2.由已知可得|cos|=32,(9分)所以23|a-4|23(a-4)2+3a2+a2=32,解得a=-4(舍去)或a=43,所以n=-833,433,-43.(10分)又PC=(0,2,-2

30、3),所以cos=34.(11分)所以PC与平面PAM所成角的正弦值为34.(12分)21.解析(1)当=12时,CE平面BDF.(1分)证明如下:连接AC交BD于点G,连接GF.CE平面BDF,CE平面ACE,平面ACE平面BDF=FG,CEFG,EFFA=CGAG,(3分)又ABCD,ABGCDG,CGAG=CDAB=12,=EFEA=12.(5分)(2)取AB的中点O,连接EO,则EOAB.平面ABE平面ABCD,平面ABE平面ABCD=AB,且EOAB,EO平面ABCD.连接OD.BOCD,且BO=CD=1,四边形BODC为平行四边形,BCDO,又BCAB,ABDO.(6分)由OA,O

31、D,OE两两垂直,建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz.则O(0,0,0),A(0,1,0),B(0,-1,0),D(1,0,0),C(1,-1,0),E(0,0,3).(7分)BD=(1,1,0),CE=(-1,1,3),当=1时,EF=FA,可得F0,12,32,BF=0,32,32.(8分)设平面BDF的法向量为n=(x,y,z),则有nBD=0,nBF=0,即x+y=0,32y+32z=0,令z=3,得y=-1,x=1.即n=(1,-1,3).(10分)设CE与平面BDF所成角为,则sin=|cos|=|-1-1+3|55=15.当=1时,直线CE与平面BDF所成角的正弦值为15.(1

32、2分)22.解析(1)证明:在等边三角形SAD中,P为AD的中点,于是SPAD,又平面SAD平面ABCD,平面SAD平面ABCD=AD,SP平面SAD,所以SP平面ABCD,(1分)所以SP是四棱锥S-ABCD的高,设AD=m,则SP=32m,S矩形ABCD=m,所以VS-ABCD=13S矩形ABCDSP=13m32m=233,所以m=2,(2分)如图,以点P为坐标原点,PA所在直线为x轴,过点P且与AB平行的直线为y轴,PS所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,则P(0,0,0),A(1,0,0),B(1,1,0),S(0,0,3),E12,0,32,F12,12,32,(3分)PE=12,0

33、,32,PF=12,12,32,(4分)设n1=(x1,y1,z1)是平面PEF的法向量,则n1PE=0,n1PF=0,即12x1+32z1=0,12x1+12y1+32z1=0,令z1=1,则x1=-3,y1=0,n1=(-3,0,1).(5分)同理可得平面SCD的一个法向量n2=(-3,0,1).n1=n2,平面PEF平面SCD.(6分)(2)存在.理由如下:设AE=AS=(-1,0,3)=(-,0,3)(01),PE=PA+AE=(1,0,0)+(-,0,3)=(1-,0,3),PB=(1,1,0),(8分)设平面PEB的一个法向量为m1=(x,y,z),则m1PE=(1-)x+3z=0,m1PB=x+y=0,令x=3,则m1=(3,-3,-1),易知平面SAD的一个法向量m2=AB=(0,1,0),|cos|=|m1m2|m1|m2|=|-3|72-2+1=3010,(10分)因为01,所以=13,(11分)所以存在点E,位于AS上靠近A点的三等分点.(12分)