2023届高三数学单元卷七《立体几何与空间向量》基础巩固卷(及答案).docx

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1、单元卷七立体几何与空间向量(基础巩固卷)题号123456789101112答案一、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.1.2021重庆南开中学期末设m是直线,是两个不同的平面,且,则“m”是“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2.2022河北张家口一模已知两条不同的直线l,m和不重合的两个平面,且l,有下面四个命题:若m,则lm;若,则l; 若,则l;若 lm,则m.其中真命题的序号是()A. B. C. D.3.2021江西南昌一模在中国古代数学经典著作九章算术中,称图中的多面体A

2、BCDEF为“刍甍”.书中描述了刍甍的体积计算方法:求积术曰,倍下袤,上袤从之,以广乘之,又以高乘之,六而一,即V(2ABEF)ADh,其中h是刍甍的高,即点F到平面ABCD的距离.若底面ABCD是边长为4的正方形,EF2,且EFAB,ADE和BCF是等腰三角形,AEDBFC90,则该刍甍的体积为()A. B. C.10 D.4.2021安徽合肥一模我国古代数学名著九章算术卷第五“商功”中,把底面为矩形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称为“阳马”.今有“阳马”PABCD,PA平面ABCD,PAABAD,E,F分别为棱PB,PD的中点.以下四个结论:PB平面AEF;EF平面PAC;平面PBD平面A

3、EF;平面AEF平面PCD.其中正确的是()A. B. C. D.5.2021河南开封一模如图,已知圆柱O1O2的底面圆半径为2,四边形ABCD是圆柱O1O2的一个轴截面,E为的中点,且异面直线AE与O1O2所成角的正切值为,则圆柱的侧面积为()A.8 B.16 C.24 D.326.2022北京海淀区一模已知直四棱柱ABCDA1B1C1D1中,底面ABCD为正方形,若直四棱柱ABCDA1B1C1D1的所有顶点都在半径为2的球面上,则当该直四棱柱的侧面积最大时,异面直线AB1与CD1所成角的余弦值为()A. B. C. D.7.2021四川雅安三模在四面体ABCD中,已知平面ABD平面ABC,

4、且ABADDBACCB4,其外接球表面积为()A. B. C.16 D.208.2021浙江宁波期中如图,已知点E、F、G、H分别是正方体ABCDA1B1C1D1中棱AA1、AB、BC、C1D1的中点,记二面角EFGD的平面角为,直线HG与平面ABCD所成角为,直线HG与直线DG所成角为,则()A. B.C. D.二、多项选择题:本题共4小题,每小题5分,共20分.在每小题给出的四个选项中,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.9.2022江苏南京、盐城二模对于两条不同直线m,n和两个不同平面,下列选项中正确的有()A.若m,n,则mnB.若m,n,则mn或m

5、nC.若m,则m或mD.若m,mn,则n或n10.2021安徽安庆一模如图,在正方体ABCDA1B1C1D1中,E,F是线段A1C1上的两个动点,且EF长为定值,下列结论中正确的是()A.BDCEB.BD平面CEFC.BEF和CEF的面积相等D.三棱锥BCEF的体积为定值11.2021东北三省四市教研联合体联考已知下列四个命题,其中真命题是()A.空间三条互相平行的直线a,b,c都与直线d相交,则a,b,c三条直线共面B.若直线m平面,直线n平面,则mnC.平面平面直线m,直线a平面,直线a平面,则amD.垂直于同一个平面的两个平面互相平行12.2021浙江绍兴第一中学期末如图,在矩形ABCD

6、中,BC1,ABx,BD和AC交于点O,将BAD沿直线BD翻折,则下列说法正确的是()A.存在x,在翻折过程中存在某个位置,使得ABOCB.存在x,在翻折过程中存在某个位置,使得ACBDC.存在x,在翻折过程中存在某个位置,使得AB平面ACDD.存在x,在翻折过程中存在某个位置,使得AC平面ABD三、填空题:本题共4小题,每小题5分,共20分.13.2022吉林长春二模“中国天眼”是我国具有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的球面射电望远镜(如图,其反射面的形状为球冠)球冠是球面被平面所截后剩下的曲面,截得的圆为底,垂直于圆面的直径被截得的部分为高,设球冠底的半径为r,球冠的高为h,则球的半

7、径R_.14.2021贵州遵义第一次联考改编已知三棱锥SABC中,SA平面ABC,且SA6,AB4,BC2,ABC30,则该三棱锥的体积为_,其外接球的表面积为_.15.2021山西大同一模九章算术是我国的一部古代数学专著,书中记载了一种名为“刍甍”的五面体(如图),四边形ABCD为矩形,EFAB,若AB3EF,ADE和BCF都是正三角形,且AD2EF,则异面直线AE与CF所成角的大小为_.16.2021安徽合肥一模已知空间三条直线l1,l2,l3满足l1l2l3,两两之间的距离都为2.点A,B是直线l1上的两动点,且AB2,C,D分别在直线l2,l3上运动.下列命题:四面体ABCD的体积是定

8、值;四面体ABCD的棱AB与CD所成角为,CDsin 是定值;四面体ABCD表面积的最小值为4;四面体ABCD的内切球的体积最大值为.其中真命题是_(填上所有真命题的序号).四、解答题:本题共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.(10分)2021郑州二模如图,在四棱锥PABCD中,APPDDCCB1,AB2,APDDCBCBA90,平面PAD平面ABCD.(1)求证:PBPC;(2)求直线PA与平面PCD所成角的正弦值.18.(12分)2021八省联考北京大兴国际机场的显著特点之一是各种弯曲空间的运用.刻画空间的弯曲性是几何研究的重要内容.用曲率刻画空间弯曲性,规定

9、:多面体顶点的曲率等于2与多面体在该点的面角之和的差(多面体的面的内角叫做多面体的面角,角度用弧度制),多面体面上非顶点的曲率均为零,多面体的总曲率等于该多面体各顶点的曲率之和.例如:正四面体在每个顶点有3个面角,每个面角是,所以正四面体在各顶点的曲率为23,故其总曲率为4.(1)求四棱锥的总曲率;(2)若多面体满足:顶点数棱数面数2,证明:这类多面体的总曲率是常数.19.(12分)2022湖北七市联考如图,四棱锥PABCD中,底面ABCD是直角梯形,ABDC,BAD90,PDDCBC2PA2AB2,PDDC.(1)求证:PA平面ABCD;(2)设(01),当二面角APMB的余弦值为时,求的值

10、.20.(12分)2022江苏南通一模如图,在正六边形ABCDEF中,将ABF沿直线BF翻折至ABF,如图,使得平面ABF平面BCDEF,O,H分别为BF和AC的中点.(1)证明:OH平面AEF;(2)求平面ABC与平面ADE所成锐二面角的余弦值.21.(12分)2021四川成都一模如图,长方体ABCDA1B1C1D1的底面是边长为2的正方形,AA14,点E,F,M,N分别为棱CC1,BC,BB1,AA1的中点.(1)求证:平面B1D1E平面C1MN;(2)若平面AFM平面A1B1C1D1l,求直线l与平面B1D1E所成角的正弦值.22.(12分)2022重庆大学附中期末如图,在平行四边形AB

11、CD中,BAD60,AB2AD4,E为边AB的中点,将ADE沿直线DE翻折,使点A至点A1位置.若M为线段A1C的中点.(1)证明:MB平面A1DE,并求MB的长;(2)在翻折过程中,当三棱锥A1DEM的体积取最大值时,求平面A1BC与平面A1DE所成的二面角的余弦值.单元卷七立体几何与空间向量(基础巩固卷)1.D由m,能够得到m与相交或m或m在平面内,不能够推出m;反之,由m,不一定得到m,m可能在内,所以“m”是“m”的既不充分也不必要条件.故选D.2.A对于,由l,m,可得lm,故正确;对于,若l,可得l,故正确;对于,若l,则l或l,故错误;对于,当l,lm时,则m或m,故错误.综上,

12、真命题的序号是,故选A.3.B如图,取AB的中点G,CD的中点H,连接EG,EH,GH,连接AH,DG交于点O,连接EO,则EFGB,EFGB,所以四边形EFBG为平行四边形,所以EGFB,同理可得EHFC.因为ADBC,ADE和BCF均为等腰直角三角形,所以EAFBEGEHED,又四边形AGHD为平行四边形,所以EOAH,EODG,又AHDGO,AH,DG平面ABCD,所以EO平面ABCD,即EO为此刍甍的高,因为AD4,所以AE2,因为AOAH,所以EO,所以此刍甍的体积V(242)4,故选B.4.D如图,因为E,F分别为PB,PD的中点,所以EFBD,在三角形PBD中,PBPDBDAB,

13、所以三角形PBD为正三角形,则PB与BD所成的角为,即PB与EF所成的角为,所以PB不可能与平面AEF垂直,所以不正确.由题意可知PABD,ACBD,又ACPAA,AC,PA平面PAC,所以BD平面PAC,又EFBD,所以EF平面PAC,所以正确.设ACBDO,连接PO,交EF于M,连接AM,则AMEF,MOEF,所以AMO为平面AEF与平面PBD所成的平面角,不妨令PBPDBDAB2,则AEEFAF1,AO1,所以AM,MOPO,在AMO中,cosAMO,即平面AEF与平面PBD所成的二面角的余弦值为,所以不正确.由题意知PDAF,CD平面PAD,AF平面PAD,所以CDAF,又CDPDD,

14、CD,PD平面PCD,所以AF平面PCD,又AF平面AEF,所以平面AEF平面PCD,所以正确,故选D. 5.C由圆柱的性质知ABO1O2,所以BAE为异面直线AE与O1O2所成的角,所以tanBAE.连接EO2,BE,由题意得BO2EO22,BO2EO2,所以BE2,所以tanBAE,解得AB6,所以圆柱的侧面积S22624.故选C.6.D连接BD1,由题易知BD1为直四棱柱ABCDA1B1C1D1外接球的直径,设ABa,CC1b,则BD14,所以2a2b216,则该直四棱柱的侧面积为4ab2(a)b(a)2b216,当且仅当a2,b2时取等号.连接A1B,交AB1于E,易知A1BD1C,所

15、以AEB为异面直线AB1与CD1所成的角.因为AB2,BB1CC12, 所以AEBEAB1,所以cosAEB,所以异面直线AB1与CD1所成角的余弦值为.7.B四面体ABCD中,取AB的中点E,连CE,DE,如图:因ABADDBACCB4,则DEAB,CEAB,DECEE,DE,CE平面CDE,有AB平面CDE,因为AB平面ABC,AB平面ABD,所以平面CDE平面ABC,平面CDE平面ABD,设正ABD中心为O2,正ABC中心为O1,在平面CDE内分别过O1,O2作直线CE,DE的垂线,两线交于点O,则有O1O平面ABC,O2O平面ABD,由球的截面圆性质知,四面体ABCD外接球球心在直线O

16、1O和直线O2O上,即点O是球心,连OA,O1A,OA即为球O的半径,因平面ABD平面ABC,则CED90,而O1EO2ECE,O1AO1CCE,即有四边形OO1EO2是正方形,则O1OO1E,RtOO1A中,OO1A90,则OA,所求外接球的表面积S4OA24.故选B.8.D如图建立空间直角坐标系,令正方体的棱长为2,则E(2,0,1),F(2,1,0),G(1,2,0),H(0,1,2),(1,1,2),(1,2,0),(0,1,1),(1,1,0),显然平面ABCD的法向量为n(0,0,1),设平面EFG的法向量为m(x,y,z),则即令y1则z1,x1,所以m(1,1,1),所以cos

17、 ,sin ,所以cos ,cos ,因为,即cos cos ,所以,故选D.9.ACD若m,n,则m的方向向量是的法向量,n的方向向量是的法向量,又,则,的方向向量垂直,所以m的方向向量与n的方向向量垂直,则mn,A正确;若m,n,m,n可平行,可相交,可异面,不一定垂直,B错误;若m,则m或m,C正确;若m,mn,则n或n,D正确.故选ACD.10.ABD连接AC(图略),由于BD平面ACC1A1,CE平面ACC1A1,平面CEF与平面ACC1A1重合,所以A,B均正确;B到EF的距离为BA1C1底边A1C1上的高,C到EF的距离即为CC1,所以BEF的面积大于CEF的面积,C错误;点B到

18、平面CEF的距离为定值,CEF的面积也为定值,D正确.故选ABD.11.ABCA项,若a,b,c三条直线不共面,由平行的直线a,b与直线d相交,得a,b,d共面,而b,c平行,则c,d不可能相交,与题设矛盾,A正确;B项,由n平面可得存在直线l平面且ln,又m平面,则ml,所以mn,B正确;C项,过直线a作平面平面,与平面交于直线l,则由a,a,l,可得al,由,l,m得lm,所以am,C正确;D项,垂直于同一平面的两个平面不一定平行,如墙角模型,D错误.12.ABC当ABx1时,矩形ABCD为正方形,则ACBD,将BAD沿直线BD翻折,当平面ABD平面BCD时,由OCBD,OC平面BCD,平

19、面ABD平面BCDBD,可得OC平面ABD,又AB平面ABD,所以ABOC,故选项A正确;结合选项A,又OCBD,OABD,且OAOCO,所以BD平面OAC,又AC平面OAC,所以ACBD,故选项B正确;在矩形ABCD中,ABAD,AC,所以将BAD沿直线BD翻折时,总有ABAD,取x,当将BAD沿直线BD翻折到AC时,有AB2AC2BC2,即ABAC,且ACADA,则此时满足AB平面ACD,故选项C正确;若AC平面ABD,又AO平面ABD,则ACAO,所以在AOC中,OC为斜边,这与OCOA相矛盾,故选项D不正确.故选ABC.13.如右图所示:球心到截面圆的距离为Rh,由勾股定理可得(Rh)

20、2r2R2,化简得r2h22Rh,解得R.故答案为.14.452三棱锥的体积V24sin 3064.取SB的中点O(图略),连接OA,OC.SA平面ABC,AB平面ABC,SAAB,可得RtASB中,中线OASB.由AB4,BC2,ABC30,可知ACBC.又SABC,SA,AC是平面SAC内的相交直线,BC平面SAC,BCSC,RtBSC中,中线OCSB,O是三棱锥SABC的外接球的球心.在RtSBA中,AB4,SA6,SB2,则外接球半径RSB.因此其外接球的表面积S4R241352.15.法一如图,在平面ABFE中,过F作FGAE交AB于G,连接CG,则CFG或其补角为异面直线AE与CF

21、所成的角.设EF1,则AB3,AD2.因为EFAB,AEFG,所以四边形AEFG为平行四边形,所以FGAE2,AG1,BG2,所以GC2,又CF2,所以CG2GF2CF2,所以CFG,即异面直线AE与CF所成角的大小为.法二如图,以矩形ABCD的中心O为原点,建立空间直角坐标系,因为四边形ABCD为矩形,EFAB,ADE和BCF都是正三角形,所以EF平面yOz,且Oz是线段EF的垂直平分线.设AB3,则A(1,0),E(0,),C(1,0),F(0,),所以(1,1,),(1,1,),所以111(1)0,所以,所以异面直线AE与CF所成角的大小为.16.如图,以AB为三棱柱的侧棱,构造正三棱柱

22、AEMBFN,C,D两点分别在直线EF,MN上移动.对于,因为SABC222,为定值,点D到平面ABC的距离为定值,所以V四面体ABCD2, 为定值,故正确;对于,棱AB与CD所成的角为FCD,而CDsinFCD2,为定值,故正确;对于,当C,D两点分别为线段EF和MN的中点时,四面体ABCD的表面积最小,此时S表2222228,84,故不正确;对于,四面体ABCD的体积V四面体ABCDS表r,其中r是四面体ABCD内切球的半径.因为V四面体ABCD是定值,所以S表最小时,r最大,因此rmax,(V球)max,故正确.17.(1)证明如图,设AD,BC的中点分别为O,E,连接PO,OE,EP,

23、则OE为直角梯形ABCD的中位线,故BCOE.因为APPD,所以POAD,又平面PAD平面ABCD,平面PAD平面ABCDAD,PO平面PAD,所以PO平面ABCD,因为BC平面ABCD,所以POBC,又POOEO,PO,OE平面PEO,所以BC平面PEO,又PE平面PEO,故BCPE,又E为BC的中点,所以PBPC.(2)解在AB上取一点F,使得AB4AF,则OF,OE,OP两两垂直,以O为坐标原点,OF,OE,OP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P(0,0,),A(,0),C(,0),D(,0),所以,(0,1,0),设平面PCD的法向量为n(x,y,z),则

24、即可取n(,0,1),设直线PA与平面PCD所成的角为,则sin |cos,n|.故直线PA与平面PCD所成角的正弦值为.18.(1)解四棱锥共有5个顶点,5个面.四棱锥所有面角之和等于4个三角形内角之和再加上1个四边形内角之和.所以四棱锥的总曲率为52424.(2)证明设多面体顶点数为V,棱数为E,面数为F,多面体的总曲率V2多面体所有面角之和V2多面体的所有面的内角之和.多面体的面均为多边形,由多边形的内角和公式可知,多面体的所有面的内角之和的计算过程中,每条棱都计算了两次,所以多面体的所有面的内角之和等于2EF2,从而多面体的总曲率为V22EF2(VEF)24.因此,这类多面体的总曲率是

25、常数.19.(1)证明因为四边形ABCD是直角梯形,ABDC,BAD90,所以ADDC.因为PDDC,PDADD,PD,AD平面PAD,所以CD平面PAD,又因为PA平面PAD,所以CDPA.取CD的中点E,连接BE,在RtBCE中,BC2,CE1,可得BE,所以AD.又PD2PA2,所以PA2AD2PD2,所以PAAD,又ADCDD,AD,CD平面ABCD,所以PA平面ABCD.(2)解以A为原点,AB,AD,AP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系如图所示,则B(1,0,0),D(0,0),P(0,0,1),所以(1,0,1),(1,0),设平面PBD的法向量m(x,y,z),由令

26、y1,则xz,得m(,1,),设M(x0,y0,z0),由(01),得(x01,y0,z0)(1,0),所以M(1,0),所以(0,0,1),(1,0),设平面PAM的法向量n(x1,y1,z1),由得令x1,则y11,z10,得平面PAM的一个法向量为n(,1,0).设二面角APMB的平面角为,则有cos ,解得0或,因为01,所以.20.(1)证明如图,取AE的中点G,连接FG,HG,CE.又因为H是AC的中点,所以HGCE,HGCE.在正六边形ABCDEF中,BFCE,BFCE,所以HGBF,HGBF.又O为BF的中点,所以HGOF,HGOF,所以四边形OFGH为平行四边形,所以OHFG

27、.因为FG平面AEF,OH平面AEF,所以OH平面AEF.(2)解连接OA,OD,由已知条件可知OAOB,OAOD,ODOB.分别以OB,OD,OA所在直线为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz.设正六边形ABCDEF的边长为2,则B(,0,0),C(,2,0),D(0,3,0),E(,2,0),A(0,0,1),所以(0,2,0),(,2,1),ED(,1,0),(0,3,1).设平面ABC的法向量为n1(x1,y1,z1),由得取x11,可得n1(1,0,).设平面ADE的法向量为n2(x2,y2,z2),由得取x21,可得n2(1,3).设平面ABC与平面ADE所成锐二面

28、角的大小为,则cos |cosn1,n2|.所以平面ABC与平面ADE所成锐二面角的余弦值为.21.(1)证明在长方体ABCDA1B1C1D1中,四边形BCC1B1是矩形.如图,连接ME.E,M分别为棱CC1,BB1的中点,且BB14,B1C12,四边形MEC1B1是正方形.C1MB1E.N,M分别为棱AA1,BB1的中点,NM平面BCC1B1.又B1E平面BCC1B1,NMB1E.NMC1MM,NM,C1M平面C1MN,B1E平面C1MN.B1E平面B1D1E,平面B1D1E平面C1MN.(2)解平面ABCD平面A1B1C1D1,AF平面ABCD,AF平面A1B1C1D1,AF平面AFM.平

29、面AFM平面A1B1C1D1l,AFl,直线l与平面B1D1E所成的角等于直线AF与平面B1D1E所成的角.以D为坐标原点,的方向分别为x轴,y轴,z轴的正方向,建立空间直角坐标系Dxyz,则A(2,0,0),F(1,2,0),D1(0,0,4),B1(2,2,4),E(0,2,2),(2,2,0),(0,2,2),(1,2,0).设平面B1D1E的法向量为m(x,y,z),由得令z1,则y1,x1,m(1,1,1)为平面B1D1E的一个法向量.设直线l与平面B1D1E所成的角为,则sin |cos,m|.直线l与平面B1D1E所成角的正弦值为.22.(1)证明如图,取DA1的中点H,连接MH

30、,EH.因为M为A1C的中点,H为DA1的中点,所以MHCD,MHCD.又E为AB的中点,所以EBCD,EBCD,所以MHEB,且MHEB,即四边形MHEB为平行四边形,所以MBHE.又MB平面A1DE,HE平面A1DE,所以MB平面A1DE.因为四边形MHEB为平行四边形,所以MBHE.又A1DE为等边三角形,H为DA1的中点,所以HE,即MB.(2)解如图,连接EC,设三棱锥A1DEM的高为h,因为M为A1C的中点,所以VA1DEMVA1DECSDECh.又DE2,DC4,EDC60,SDEC24sin 602,所以SDEC为定值.在翻折过程中,当平面A1DE垂直于平面DEBC时,h最大,

31、三棱锥A1DEM的体积取最大值.取DE的中点O,连接A1O,因为平面A1DE平面DEBC,平面A1DE平面DEBCDE,A1ODE,A1O平面A1DE,所以A1O平面DEBC.取DC的中点N,则可得ONDE,以OE所在直线为x轴,ON所在直线为y轴,OA1所在直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则A1(0,0,),B(2,0),C(1,2,0),所以(2,),(1,0).设平面A1BC的法向量n1(x1,y1,z1),则即可取n1(,1,3).又平面A1DE的一个法向量n2(0,1,0),所以cosn1,n2.由图可判断二面角的平面角为锐角,所以平面A1BC与平面A1DE所成的二面角余弦值为.

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