3、立体几何初步高中一轮复习

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第三章 立体几何初步

考纲导读

1.理解平面的基本性质,会用斜二测画法画水平放置的平面图形的直观图、能够画出空间两条直线、直线和平面的各种位置关系的图形,能根据图形想象它们的位置关系. 2.了解空间两条直线、直线和平面、两个平面的位置关系.

3.掌握直线和平面平行的判定定理和性质定理;理解直线和平面垂直的概念;掌握直线和平面垂直的判定定理和性质定理;掌握三垂线定理及其逆定理.

4.掌握直线和直线、直线和平面、平面和平面所成的角、距离的概念;掌握两个平面平行、垂直的判定定理和性质定理.

5.了解多面体、凸多面体、正多面体的概念.

6.了解棱柱,棱锥的概念;了解棱柱,棱锥的性质;会画其直观图. 7.了解球的概念;掌握球的性质;掌握球的表面积、体积公式. 知识网络 平面

三个公理、三个推论 平行直公理4及等角定理 异面直相交直

异面直线所成的角 异面直线间的距离 概念、判定与性质 垂斜距离

两个平面平行的判定与性质

三垂线定理 直线与平面所成的角

空间两条直

直线、何平体面、简单几空间直线 与平面

直线在平面内 直线与平面平直线与平面相两个平面平行

空间两个平面

两个平面相

交 定义及有关概念

棱柱 棱锥 球 性质 面积公式 体积公式 正多面体 多面体

二面角

两个平面垂直的判定与性质

综合应用

高考导航 本章的定义、定理、性质多,为了易于掌握,可把主要知识系统化.首先,归纳总结,理线串点,可分为四块:A、平面的三个基本性质,四种确定平面的条件;B、两个特殊的位置关系,即线线,线面,面面的平行与垂直.C、三个所成角;即线线、线面、面面所成角;D、四个距离,即两点距、两线距、线面距、面面距.

1

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其次,平行和垂直是位置关系的核心,而线面垂直又是核心中的核心,线面角、二面角、距离等均与线面垂直密切相关,把握其中的线面垂直,也就找到了解题的钥匙.

再次,要加强数学思想方法的学习,立体几何中蕴涵着丰富的思想方法,化空间图形为平面图形解决,化几何问题为坐标化解决,自觉地学习和运用数学思想方法去解题,常能收到事半功倍的效果.

第1课时 平面的基本性质

基础过关 公理1 如果一条直线上的 在同一个平面内,那么这条直线上的 都在这个平面内 (证明直线在平面内的依据).

公理2 如果两个平面有 个公共点,那么它们还有其他公共点,这些公共点的集合是 (证明多点共线的依据).

公理3 经过不在 的三点,有且只有一个平面(确定平面的依据). 推论1 经过一条直线和这条直线外的一点有且只有一个平面. 推论2 经过两条 直线,有且只有一个平面. 推论3 经过两条 直线,有且只有一个平面. 典型例题 例1.正方体ABCD-A1B1C1D1中,对角线A1C与平面BDC1交于O,AC、BD交于点M.

D1 C1

求证:点C1、O、M共线.

证明:

A1A∥CC1?确定平面A1C A1C?面A1C ?O∈面A1C? O∈A1C

A1 B1 D 面BC1D∩直线A1C=O ?O∈面BC1D C O在面A1C与平面BC1D的交线C1M上 M ∴C1、O、M共线 A B

变式训练1:已知空间四点A、B、C、D不在同一平面内,求证:直线AB和CD既不相交也不平行. 提示:反证法.

例2. 已知直线l与三条平行线a、b、c都相交.求证:l与a、b、c共面. 证明:设a∩l=A b∩l=B c∩l=C a∥b? a、b确定平面α ?l?β A∈a, B∈b

b∥c?b、c确定平面β 同理可证l?β

所以α、β均过相交直线b、l? α、β重合? c?α ?a、b、c、l共面

变式训练2:如图,△ABC在平面α外,它的三条边所在的直线AB、BC、CA分别交平面α于P、Q、R点.求证:P、Q、R共线. A

B 证明:设平面ABC∩α=l,由于P=AB∩α,即P=平面ABC∩α=l,

C 即点P在直线l上.同理可证点Q、R在直线l上. α ∴P、Q、R共线,共线于直线l. P R Q 例3. 若△ABC所在的平面和△A1B1C1所在平面相交,并且直线AA1、BB1、CC1相交于一点O,求证: (1) AB和A1B1、BC和B1C1分别在同一个平面内;

(2) 如果AB和A1B1,BC和B1C1分别相交,那么交点在同一条直线上.

O 2

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O A

B

A B CC

证明:(1) ∵AA1∩BB1=0,∴AA1与BB1确定平面α,又∵A∈a,B∈α,A1∈α,B1∈α,∴AB?α,A1B1?α,∴AB、A1B1在同一个平面内

同理BC、B1C1、AC、A1C1分别在同一个平面内

(2) 设AB∩A1B1=X,BC∩B1C1=Y,AC∩A1C1=Z,则只需证明X、Y、Z三点都是平面A1B1C1与ABC的公共点即可.

变式训练3:如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为AB中点,F为AA1中点, 求证:(1) E、C.D1、F四点共面; D1 C1 (2) CE、D1F、DA三线共点.

A1 证明(1) 连结A1B 则EF∥A1B A1B∥D1C B1 ∴EF∥D1C ∴E、F、D1、C四点共面 (2) 面D1A∩面CA=DA ∴EF∥D1C 且EF=

12F

D E

B

D1C

A

C

∴D1F与CE相交 又D1F?面D1A,CE?面AC ∴D1F与CE的交点必在DA上 ∴CE、D1F、DA三线共点.

例4.求证:两两相交且不通过同一点的四条直线必在同一平面内.

证明:(1) 若a、b、c三线共点P,但点p?d,由d和其外一点可确定一个平面α 又a∩d=A ∴点A∈α ∴直线a?α 同理可证:b、c?α ∴a、b、c、d共面 (2)若a、b、c、d两两相交但不过同一点 ∵a∩b=Q ∴a与b可确定一个平面β 又c∩b=E ∴E∈β

同理c∩a=F ∴F∈β

∴直线c上有两点E、F在β上 ∴c?β 同理可证:d?β 故a、b、c、d共面

由(1) (2)知:两两相交而不过同一点的四条直线必共面

变式训练4:分别和两条异面直线AB、CD同时相交的两条直线AC、BD一定是异面直线,为什么? ?解:假设AC、BD不异面,则它们都在某个平面?内,则A、B、C、D??.由公理1知AC???,BD??.

这与已知AB与CD异面矛盾,所以假设不成立,即AC、BD一定是异面直线。 小结归纳 1.证明若干点共线问题,只需证明这些点同在两个相交平面.

2.证明点、线共面问题有两种基本方法:①先假定部分点、线确定一个平面,再证余下的点、线在此平面内;②分别用部分点、线确定两个(或多个)平面,再证这些平面重合. 3.证明多线共点,只需证明其中两线相交,再证其余的直线也过交点.

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第2课时 空间直线

基础过关

1.空间两条直线的位置关系为 、 、 . 2.相交直线 一个公共点,平行直线 没有公共点, 异面直线:不同在任 平面,没有公共点.

3.公理4:平行于同一条直线的两条直线互相 .

4.等角定理:如果一个角的两边和另一个角的两边分别平行并且方向相同,那么这两角 . 5.异面直线的判定定理

过平面外一点与平面内一点的直线和平面内 的直线是异面直线(作用:判定两条直线是异面直线) 6.异面直线的距离:和两条异面直线 的直线称为异面直线的公垂线.两条异面直线的公垂线在 的长度,叫两异面直线的距离.

典型例题 例1. 如图,在空间四边形ABCD中,AD=AC=BC=BD=a,AB=CD=b,E、F分别是AB、CD的中点.

(1) 求证:EF是AB和CD的公垂线; (2) 求AB和CD间的距离. 证明:(1) 连结CE、DE

AC?BC??AD?BD??AE?BE??A E

AB?CE??AB?DE??AB⊥面CDE

B

∴AB⊥EF 同理CD⊥EF ∴EF是AB和CD的公垂线 (2) △ECD中,EC=∴EF=

a22D F

a2?b4=ED C

?b22

3变式训练1:在空间四边形ABCD中,AD=BC=2,E,F分别为AB、CD的中点,EF=BC所成角的大小.

解:设BD的中点G,连接FG,EG。在△EFG中 EF=∴∠EGF=120° ∴AD与BC成60°的角。

例2. S是正三角形ABC所在平面外的一点,如图SA=SB=SC, 且?ASB=?BSC=?CSA=

?2,求AD、

3 FG=EG=1

S N C

B M

A ,M、N分别是AB和SC的中点.

求异面直线SM与BN所成的角.

证明:连结CM,设Q为CM的中点,连结QN 则QN∥SM ∴∠QNB是SM与BN所成的角或其补角 连结BQ,设SC=a,在△BQN中 BN=

52a NQ=SM=

2124a BQ=

2144

a

∴COS∠QNB=

BN2?NQ2?BQ2BN?NQ?105

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105∴∠QNB=arc cos

变式训练2:正?ABC的边长为a,S为?ABC所在平面外的一点,SA=SB=SC=a,E,F分别是SC和AB的中点.

(1) 求异面直线SC和AB的距离; (2) 求异面直线SA和EF所成角. 答案:(1)

22a (2) 45°

D1 A1 M D A

N

C B

C1 B1 P

例3. 如图,棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,M、N、P 分别为A1B1、BB1、CC1的中点.

(1) 求异面直线D1P与AM,CN与AM所成角; (2) 判断D1P与AM是否为异面直线?若是,求其距离. 解:(1) D1P与AM成90°的角 CN与AM所成角为arc cos2.

5(2) 是.NP是其公垂线段, D1P与AN的距离为1. 变式训练3:如图,在直三棱柱ABC-A1B1C1中, ∠BCA=90°,M、N分别是A1B1和A1C1的中点, 若BC=CA=CC1,求NM与AN所成的角. B

C

M N A

B A

C

解:连接MN,作NG∥BM交BC于G,连接AG, 易证∠GNA就是BM与AN所成的角. 设:BC=CA=CC1=2,则AG=AN=cos∠GNA=

6?5?52?6?5?30105,GN=B1M=

6,

P E A M B

C F D

例4.如图,四棱锥P-ABCD的底面是正方形,PA⊥底 面ABCD,AE⊥PD,EF∥CD,AM=EF.

(1) 证明MF是异面直线AB与PC的公垂线;

(2) 若PA=3AB,求直线AC与平面EAM所成角的正弦值. (1)证明:∵EF∥CD AM∥CD

∴ AM∥EF,又AM=EF ∴ AMFE为平行四边形 ∵ AB⊥PA,AB⊥AD ∴ AB⊥面PAD ∴ AB⊥AE,又AE∥MF,∴ AB⊥MF 又∵AE⊥PD CD⊥AE ∴ AE⊥面PCD

∴ AE⊥PC ∴ MF⊥PC ∴ MF为AB与PC的公垂线.

5

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A B C

解:(1)

30D

(2)略.

11(3)因VA-DBC=(DC×BD)×OA=6

323,

又VD-ABC=

13(AB×AC)×d=

2115d,

655VA-BCD=VD-ABC,则

15d=6

3,解得d=

.

例4:如图,棱长为4的正方体AC1,O是正方形A1B1C1D1的中心,点P在棱CC1上,且CC1=4CP. (1) 求直线AP与平面BCC1B1所成角的大小;

C1 D1 (2) 设O点在平面D1AP上的射影是H,求证:D1H?AP;

O A1 B1 (3) 求点P到平面ABD1的距离.

H 417答案: (1) ∠APB=arctan P

17D C (2) AP在面AC上的射影为AC 又AC⊥BD ∴PA⊥BD 而BD∥B1D1 ∴B1D1⊥AP

而B1D1在平面D1AP上的射影为D1H ∴D1H⊥AP

(3) 面ABD1⊥面BC1 过P作PM⊥BC1于M 则PM=322A

B

变式训练4:三棱锥V-ABC的三条侧棱VA、VC两两垂直,顶点V在底面内的射影是H. (1) 求证H是△ABC的垂心; (2) S?ABV?S?ABHS?ABC.

V

2C A E H B

D

(1) 证明:连结AH交BC于D点,连接CH交AB于E点, ∵VA⊥VB,VA⊥VC,VB∩VC=V,

∴VA⊥VBC面,又BC?VBC面,∴BC⊥VA. ∵VH⊥ABC面,BC?ABC面,

∴BC⊥VH,又VA∩VH=A,∴BC⊥VHA面.

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又AD?VHA面,∴AD⊥BC,同理可得CE⊥AB, ∴H是△ABC的垂心.

(2) 连接VE,在Rt△VEC中,VE2=EH×EC

14AB2×VE2=AB2×EH×EC,

412即S?ABV?S?ABHS?ABC.

小结归纳 线面垂直的判定方法:(1) 线面垂直的定义; (2)判定定理;

(3) 面面垂直的性质; (4) 面面平行的性质:若?∥?,a⊥?则a ⊥?

第5课时 三垂线定理

基础过关

1.和一个平面相交,但不和这个平面

的直线叫做平面的斜线,斜线和平面的交点叫做 .

2.射影(1) 平面外一点向平面引垂线的 叫做点在平面内的射影; (2) 过垂足和斜足的直线叫斜线在平面内的 . 斜线上任意一点在平面上的射影一定在 .

垂线在平面上的射影只是 .

直线和平面平行时,直线在平面上的射影是和该直线 的一条直线. 3.如图,AO是平面?斜线,A为斜足,OB⊥?,B

O

为垂足,AC??,∠OAB=?,?BAC=?,

12∠OAC=?,则cos?= . 4.直线和平面所成的角

平面的斜线和它在这个平面内的 所成

A B

C 的 叫做这条直线和平面所成角.

斜线和平面所成角,是这条斜线和平面内任一条直线所成角中 .

5.三垂线定理:在平面内的一条直线如果和这个平面的一条斜线的 垂直,那么它也和 垂直.

逆定理:在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条 垂直,那么它也和这条 垂直. 典型例题 例1. 已知Rt?ABC的斜边BC在平面?内,A到?的距离2,两条直角边和平面?所成角分别是45°和30°.求:(1) 斜边上的高AD和平面?所成的角; (2) 点A在?内的射影到BC的距离. 答案:(1) 60° (2)

233

变式训练1:如图,道旁有一条河,河对岸有电塔AB,塔顶A到道路距离为AC,且测得∠BCA=30°,在道路上取一点D,又测得CD=30m,∠CDB=45°.求电塔AB的高度. A 解:BC=30,AB=BC tan30°=10

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C D B 12

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例2.如图,矩形纸片A1A2A3A4,B、C、B1、C1 分别为A1 A4、A2A3的三等分点,将矩形片沿 BB1,CC1折成三棱柱,若面对角线A1B1?BC1;

A2 B1 C1

求证:A2C?A1B1.

解:取A2B1中点D1 ∵A2C1=B1C1 ∴C1D1⊥A2B1 又A1A2⊥面A2B1C1 ∴C1D1⊥A1A2

∴C1D1⊥面A1A2B1B ∴BD1是BC1在面A2B上的射影 由A1B1⊥BC1 ∴BD1⊥A1B1

取A1B中点D 同理可证A2D是A2C在面A2B上的射影 ∵A2DBD1 ∴A2DBD1是平行四边形 由BD1⊥A1B1 ∴A1B1⊥A2D ∴A2C⊥A1B1

变式训练2:如图,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=3,AA1=4,M为AA1中点,P是BC上一点,且由P沿棱柱侧面经过棱CC1到M的最短路线长(1) PC和NC的长;

(2) 平面NMP与平面ABC所成二面角(锐角)大小. 解:将侧面BB1C1C绕棱CC1旋转120°使其与侧面

M

AA1C1C在同一平面上,点P运动到点P1的位置,

连接MP1,则MP1就是由点P沿棱柱侧面经过棱CC1到点M的最短路线

A

设PC=x,则P1C=x,在Rt△MAP1中,由勾股定理得x=2 ∴PC=P1C=2 ∵

NCMA?P1CP1A?25A2 B1 C1

A1 B C

A1 B

C

29,设这条最短路线与CC1交点N,求:

A1 B1

N P

C C1

∴NC=

54B

(2) 连接PP1,则PP1就是平面NMP与平面ABC的交线,作NH⊥PP1于H,又CC1⊥平面ABC,连结CH,由三垂线定理得CH⊥PP1

∴∠NHC就是平面NMP与平面ABC所成的平面角(锐角) 在Rt△PHC中 ∵∠PCH=∴CH=

PC212∠PCP1=60°

=1

45在Rt△PHC中 tanNHC=

4A1 5D1 C1 故平面NMP与平面ABC所成二面角大小为arctan 例3.如图在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中, 点E是棱BC的中点,点F是棱CD上的动点. (1) 试确定点F的位置,使得D1E?面AB1F; (2) 当D1E?面AB1F时,求二面角C1-EF-A大小. 解:(1) 连结A1B,则A1B是D1E在面ABB1A1内的射影

∵AB1⊥A1B ∴D1E⊥AB1

13

B1 A B

F E

C

D

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于是D1E⊥平面AB1F ?D1E⊥AF

连结DE,则DE是D1E在底面ABCD内的射影 ∴D1E⊥AF?DE⊥AF

∵ABCD是正方形,E是BC的中点 ∴当且仅当F是CD的中点时,DE⊥AF

即当点F是CD的中点时,D1E⊥面AB1F

(2) 当D1E⊥平面AB1F时,由(1) 知点F是CD的中点,又已知点E是BC的中点,连结EF,则EF∥BD连AC,设AC与EF交点H,则CH⊥EF,连C1H,则CH是C1H在底面ABCD内的射影 ∴C1H⊥EF

即∠C1HC是二面角C1-EF-C的平面角 在Rt△C1HC中 ∵C1C=1 CH=∴tan∠C1HC=

C1CCH?2214AC=

24

∴∠C1HC=arctan 2

2

∴∠AHC1=π-arctan22

变式训练3:正方体ABCD-A1B1C1D1中棱长a,点P在AC上,Q在BC1上,AP=BQ=a, (1) 求直线PQ与平面ABCD所成角的正切值; (2) 求证:PQ⊥AD.

(1) 解:过Q作QM∥CC1交BC于M 则QM⊥面ABCD ∴∠QPM就是所求角 ∵

CPACBQBC1?BMBC即

BMBC?a2a ∴CMCPACBC?2a?a2a

?2a?a2a ∴CMBC? ∴PM∥AB

2?12a在Rt△PQM中 PM= QM=

22a

2a∴tan∠QPM=

QMPM=

22?12a=

2+1

(2) 由(1) 可知PM⊥BC PQ在面ABCD内的射影是PM. ∴PQ⊥BC 又AD∥BC ∴PQ⊥AD

例4.如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AD=AA1=1,AB=2,点E在棱AB上移动. (1) 证明:D1E⊥A1D;

(2) 当E为AB的中点时,求点E到面ACD1的距离; (3) AE等于何值时,二面角D1-EC-D的大小为

DA

D A E

BC

B

C

?4.

(1) 证明:∵ AE⊥平面AA1DD1,A1D⊥AD1,∴A1D⊥D1E.

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5(2) 设点E到面ACD1的距离为h,在△ACD1中,AC=CD1=而S?ADC=·AE·BC=

2112,AD1=

2,S?AD1C=·2·5?2112=

32,

13∴VD1?ABC=

132213S?ABC·DD1=

1S?AD1C·h

∴×1=×h, ∴h=

3(3) 过D作DH⊥CE于H,连D1H、DE,则D1H⊥CE,∴∠DHD1为二面角D1-EC-D的平面角.设AE=x,则BE=2-x 在Rt△D1DH中,∵∠DHD1=∵在Rt△ADE中,DE=则x+

31?x2?4,∴DH=1

3,∴在Rt△DHE中,EH=x,在Rt△DHC中,CH=

3,CE=

x?4x?52,

x?4x?52,解得x=2-.

?4即当x=2-

3时,二面角为D1-EC-D的大小为

2变式训练4:如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为a的正方形,且PD=a,PA=PC=(1) 求证:PD⊥面ABCD;

(2) 求直线PB与AC所成角; (3) 求二面角A-PB-D大小.

证明:(1) ∵PC=2a PD=DC=a ∴PD2+DC2=PC2

∴△PDC是直角三角形 ∴PD⊥DC 同理PD⊥DA 又∵DA∩DC=D ∴PD⊥平面ABCD

(2) 连BD ∵ABCD是正方形 ∴AC⊥BD 又∵PD⊥平面ABCD AC⊥PB(三垂线定理) ∴PB与AC所成角为90° (3) 设AC∩BD=0 作AE⊥PB于E,连OE ∵AC⊥BD PD⊥平面ABCD AC?面ABCD ∴PD⊥AC ∴AC⊥平面PDB 又∵OE是AE在平面PDB内的射影 ∴OE⊥PB

∴∠AEO就是二面角A-PB-O的平面角 又∵AB=a PA=2a PB=3a ∵PD⊥面ABCD DA⊥AB ∴ PA⊥AB 在Rt△PAB中 AE·PB=PA·AB ∴AE=

63aa.

P D A

B

C

AO=

3222a

∴sin∠AEO= 小结归纳

∴∠AEO=60°

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1.求直线和平面所成的角的一般步骤是一找(作),二证,三算.寻找直线在平面内的射影是关键,基本原理是将空间几何问题转化为平面几何问题,主要转化到一个三角形内,通过解三角形来解决.

2.三垂线定理及逆定理,是判定两条线互相垂直的重要方法,利用它解题时要抓住如下几个环节:一抓住斜线,二作出垂线,三确定射影.

3.证明线线垂直的重要方法:三垂线定理及逆定理;线⊥面?线⊥线;向量法.

第6课时 平面与平面平行

基础过关

1.两个平面的位置关系: 2.两个平面平行的判定定理

如果一个平面内有两条 直线分别平行于另一个平面,那么这两个平面平行. (记忆口诀:线面平行,则面面平行)

3、两个平面平行的性质定理

如果两个平行平面同时与第三个平面相交,那么它所有的 平行. (记忆口诀:面面平行,则线线平行)

4.两个平行平面距离

和两个平行平面同时 的直线,叫做两个平面的公垂线,公垂线夹在平行平面间的部分叫做两个平面的 ,两个平行面的公垂线段的 ,叫做两个平行平面的距离. 例1.如图,正方体ABCD-A1B1C1D1中,M、N、E、F分别是棱A1B1、A1D1、B1C1、C1D1中点. (1) 求证:平面AMN∥平面EFDB;

D1 F C1 (2) 求异面直线AM、BD所成角的余弦值. N M B1 E A1 解:(1) 易证EF∥B1D1 MN∥B1D1 ∴EF∥MN AN∥BE 又MN∩AN=N EF∩BE=E

∴面AMN∥面EFDB

(2) 易证MN∥BD ∴∠AMN为AM与BD所成角 易求得 cos∠AMN=

1010典型例题 D A B

C

A O β D B C 变式训练1:如图,?∥?,AB交?、?于A、B, CD交?、? 于C、D,AB?CD=O,O在两平面之间, AO=5,BO=8,CO=6.求CD. 解:依题意有AC∥DB ∴OD=

485AOOB?COOD785α 即

58?6OD

∴CD=

485+6=

例2 . 已知平面?∥平面?,AB、CD是夹在平面?和平面?间的两条线段,点E、F分别在AB、CD上,且

AEEB?CFFD?mn.求证:EF∥?∥?.

证明:1°若AB与CD共面,设AB与CD确定平面γ,则α∩γ=AC β∩γ=BD

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EB?CFFD∵α∥β ∴AC∥BD 又∵AE∴EF∥AC∥BD ∴EF∥α∥β

2°若AB与CD异面,过A作AA'∥CD 在AA'截点O,使

AOOA'1?AEEB?CFFD?mn

∴EO∥BA' OF∥A'D

∴平面EOF∥α∥β ∴EF与α、β无公共点

∴EF∥α∥β

变式训练2:在正方体ABCD-A1B1C1D1中,M、N、P分别是CC1、B1C1、C1D1的中点. 求证:(1) AP?MN;

(2) 平面MNP∥平面A1BD.

证明:(1) 连BC1 易知AP在BCC1B1内射影是BC1 BC1⊥MN ∴AP⊥MN (2) ∵

PN//BD???A1B//PM?面MNP∥面A1BD

例3.已知a和b是两条异面直线.

(1) 求证:过a和b分别存在平面α和β,使α∥β; (2) 求证:a、b间的距离等于平面α与β的距离.

(1) 在直线a上任取一点P,过P作b'∥b,在直线b上取一点Q 过Q作a'∥a 设a, b'确定一个平面α a', b确定平面β a'∥a a?α ∴a'∥α 同理b∥α 又a'、b?β ∴α∥β

因此,过a和b分别存在两个平面α、β

(2) 设AB是a和b的公垂线,则AB⊥b,AB⊥a ∴AB⊥a' a'和b是β内的相交直线,∴AB⊥β 同理AB⊥α 因此,a, b间的距离等于α与β间的距离.

变式训练3:如图,已知平面α∥平面β,线段PQ、PF、QC分别交平面α于A、B、C、点,交平面β于D、F、E点,PA=9,AD=12,DQ=16,△ABC的面积是72,试求△DEF的面积.

P A C B α E D F Q

β

PAPA?AD解:平面α∥平面β,∴AB∥DF,AC∥DE, ∴∠CAB=∠EDF.在△PDF中,AB∥DF,DF=

AB=

73AB,同理DE=

47AC.

17

1432 taoti.tl100.com 你的首选资源互助社区

S△DEF=DF·DE sin∠EDF=S△ABC=96.

例4.如图,平面?∥平面?,?ABC.?A1B1C1分别在?、?内,线段AA1、BB1、CC1交于点O,O在?、

?之间,若AB=2AC=2,∠BAC=60°,OA:OA1=3:2.

求?A1B1C1的面积.

解:∵α∥β AA1∩BB1=O ∴AB∥A1B1 同理AC∥A1C1 BC∥B1C1

∴△ABC∽△A1B1C1 S△ABC=1AB·AC·sin60°=

232α B

β C1 A1 O A C

ABA1B1?OAOA1?32 ∴

S?ABCS?A1B1C1?94

B1

∴S?A1B1C1=

239变式训练4:如图,在底面是菱形的四棱锥P-ABCD中,∠ABC=60°,PA=AC=a,PB=PD=点E是PD的中点.

(1)证明:PA⊥平面ABCD,PB∥平面EAC;

(2)求以AC为棱,EAC与DAC为面的二面角θ的正切值. (1)证:因为底面ABCD是菱形,∠ABC=60°, 所以AB=AD=AC=a,

在△PAB中,由PA2+AB2=2a2=PB2知PA⊥AB, 同理,PA⊥AD,所以PA⊥平面ABCD. 因为PB=PD+DC+CB=2ED+DC+DA =(ED+DA)+(ED+DC)=EA+EC ∴ PB、EA、EC共面.

PB?平面EAC,所以PB∥平面EAC.

A B C

E D

P 2a,

(2) 解:作EG∥PA交AD于G,由PA∥平面ABCD,知EG⊥平面ABCD.作GH⊥AC于H,连结EH,则EH⊥AC,∠EHG即为二面角θ的平面角. 又E是PD的中点,从而G是AD的中点,EG=所以tanθ=23312a,AG=

12a,GH=AG sin 60°=

34a,

小结归纳 1.判定两个平面平行的方法:(1)定义法;(2)判定定理. 2.正确运用两平面平行的性质.

3.注意线线平行,线面平行,面面平行的相互转化:线∥线?线∥面?面∥面.

第7课时 两个平面垂直

基础过关

1.两个平面垂直的定义:如果两个平面相交所成二面角为 二面角,则这两个平面互相垂直. 2.两个平面垂直的判定:如果一个平面 有一条直线 另一个平面,则这两个平面互相垂直. 3.两个平面垂直的性质:如果两个平面垂直,那么一个平面 的垂直于它们的 的直线垂直

18

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于另一个平面.

4.异面直线上两点间的距离公式:EF=

d2?m2?n?2mncos?2,其中:d是异面直线a、b的 ,θ

为a、b ,m、n分别是a、b上的点E、F到 AA'与a、b的交点A,A'的距离. 例1 如图所示,在四面体S-ABC中,SA=SB=SC,∠ASB=∠ASC=60°,∠BSC=90°. 求证:平面ABC⊥平面BSC.

A B S

D C

证明:略

变式训练1:如图,在三棱锥S-ABC中,SA⊥平面ABC,平面SAB⊥平面SBC. ⑴ 求证:AB⊥BC;

⑵ 若设二面角S-BC-A为45°,

SA=BC,求二面角A-SC-B的大小. 证明:(1) 作AH⊥SB于H,则AH⊥平面SBC ∴AH⊥BC, 又SA⊥BC ∴BC⊥平面SAB ∴BC⊥AB

S C B

A (2) ∠SBA是二面角S-BC-A的平面角,∠SBA=45°,作AE⊥SC于E,连结EH,EH⊥SC,∠AEH为所求二面角的平面角,∠AEH=60° 例2.在120°的二面角P-a-Q的两个面P和Q内,分别有点A和点B,已知点A和点B到棱a的距离分别是2和4,且线段AB=10,求: (1) 直线AB和棱a所成的角; (2) 直线AB和平面Q所成的角. 答案:(1) arc sin

75 (2) arc sin

310

变式训练2:已知四棱锥P-ABCD,底面ABCD是菱形,∠DAB=60°,PD⊥平面ABCD,PD=AD,点E为AB中点,点F为PD中点.

(1) 证明:平面PED⊥平面PAB;

(2) 求二面角P-AB-F的平面角的余弦值. (1)证明:连BD.∵AB=AD,∠DAB=60°,

∴△ADB为等边三角形,∴E是AB中点.∴AB⊥DE,∵PD⊥面ABCD,AB?面ABCD,∴AB⊥PD. ∵DE?面PED,PD?面PED,DE∩PD=D,

∴AB⊥面PED,∵AB?面PAB.∴面PED⊥面PAB.

(2)解:∵AB⊥平面PED,PE?面PED,∴AB⊥PE.连结EF,∵ EF?面PED,∴AB⊥EF. ∴ ∠PEF为二面角P-AB-F的平面角. 设AD=2,那么PF=FD=1,DE=在△PEF中,PE=

23.

7

,EF=2,PF=1

2∴cos∠PEF=

(7)?2?12?27?5714

19

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5714即二面角P-AB-F的平面角的余弦值为.

例3.如图,四棱锥P-ABCD的底面是矩形,PA⊥平面ABCD,E、F分别是AB、PD的中点,又二面角P-CD-B为45°.

⑴ 求证:AF∥平面PEC;

⑵ 求证:平面PEC⊥平面PCD;

⑶ 设AD=2,CD=22,求点A到面PEC的距离.

证明:(1) 取PC的中点G,易证EG∥AF,从而AF∥平面PEC

B P F A E D

C (2) 可证EG⊥平面PCD

(3) 点A到平面PEC的距离即F到平面PEC的距离,考虑到平面PEC⊥平面PCD,过F作FH⊥PC于H,则FH即为所求,由△PFH~△PCD得FH=1

变式训练3:如图,在四棱锥V-ABCD中,底面ABCD是正方形,侧面VAD是正三角形,平面VAD⊥底面ABCD.

⑴ 证明:AB⊥平面VAD;

⑵ 求面VAD与面VDB所成的二面角的大小. (1)证明:

平面VAD⊥平面ABCD AB⊥AD AB?平面ABCD

AD=平面VAD∩平面ABCD

(2)解:取VD的中点E,连结AE、BE. ∵△VAD是正三角形,∴AE⊥VD,AE=∵AB⊥平面VAD,∴AB⊥AE. 又由三垂线定理知BE⊥VD. 于是tan ∠AEB=

ABAEV C

D

?AB⊥平面VAD

A B

32AD.

233,

233即得所求二面角的大小为arc tan

例4.如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,四边形A1ABB1是菱形,四边形BCC1B1是矩形,AB⊥BC,CB=3,AB=4,∠A1AB=60°.

⑴ 求证:平面CA1B⊥平面A1ABB1;

⑵ 求直线A1C与平面BCC1B1所成角的正切值; (3) 求点C1到平面A1CB的距离. 证( 1) 因为四边形BCC1B1是矩形, 又∵AB⊥BC,∴BC⊥平面A1ABB1. (2)过A1作A1D⊥B1B于D,连结DC, ∵BC⊥平面A1ABB1,∴BC⊥A1D. ∴ A1D⊥平面BCC1B1,

故∠A1CD为直线A1C与平面BCC1B1所成的角, 在矩形BCC1B1中,DC=

13A1 C1 B1

A

C B

,因为四边形A1ABB1是菱形.

3∠A1AB=60°,CB=3,AB=4,∴ A1D=2

20

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A1DCD?23913∴ tan∠A1CD=

(3)∵ B1C1∥BC,∴B1C1∥平面A1BC.

∴ C1到平面A1BC的距离即为B1到平面A1BC的距离.

连结AB1,AB1与A1B交于点O,∵四边形A1ABB1是菱形,∴B1O⊥A1B. ∵ 平面CA1B⊥平面A1ABB1,∴B1O⊥平面A1BC, ∴ B1O即为C1到平面A1BC的距离. ∵B1O=2

3 ∴ C1到平面A1BC的距离为2

3.

变式训练4:如果在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是∠DAB=60°,且边长为a的菱形,侧面PAD为正三角形,其所在平面垂直于底面ABCD.

⑴ 若G为AD边的中点,求证BG⊥平面PAD; ⑵ 求证AD⊥PB;

⑶ 求二面角A-BC-P的大小;

⑷ 若E为BC边的中点,能否在棱PC上找到一点F, 使平面DEF⊥平面ABCD,并证明你的结论. 答案 (1) 略 (2) 略 (3) 45° (4) F为PC的中点

A P G D B

C

小结归纳 在证明两平面垂直时,一般方法是从现有的直线中寻找平面的垂线;若没有这样的直线,则可通过作辅助线来解决,而作辅助线则应有理论根据并且要有利于证明,不能随意添加,在有平面垂直时,一般要用性质定理,在一个平面内作交线的垂线,使之转化为线面垂直,然后再转化为线线垂直.“线线垂直”、“线面垂直”、“面面垂直”间的转化是解决这类问题的关键.

第8课时 空间的角

基础过关

1.两异面直线所成的角:直线a、b是异面直线,经过空间一点O分别引直线a' a,b' b,把直线a'和b'所成的 或 叫做两条异面直线a、b所成的角,其范围是 .

2.直线和平面所成的角:平面的一条斜线和它在平面上的 所成的 角,叫做这条斜线和平面所成的角.

规定: ① 一条直线垂直于平面,我们说它们所成的角是 角;② 一条直线与平面平行或在平面内,我们说它们所成的角是 角.

其范围是 .

公式:cosθ=cosθ1cosθ2,其中,θ1是 ,θ2是 ,θ是 .

3.二面角:从一条直线出发的 所组成的图形叫做二面角.

4.二面角的平面角:以二面角的棱上 一点为端点,在两个面内分别作 棱的两条射线,这两条射线所成的角叫做二面角的平面角,其范围是 .

典型例题 例1. 如图,已知矩形ABCD所在平面外一点P,PA⊥平面ABCD,E、F分别是AB、PC的中点. (1)求EF与平面PAD所成角的大小; P

21

F A E B D

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(2)求EF与CD所成角的大小; (3)若∠PDA=45°,求:二面角F—AB—D的大小. 解:(1)易知EF∥平面PAD,故EF与平面PAD成角为0°;

(2)易知EF⊥CD,故EF与CD成角为90°;

(3)取AC中点为0,则∠FEO为所求二面角的平面角,易求得∠FEO=45°. D1 变式训练1:如图,ABCD—A1B1C1D1是正四棱柱,若二面角C1 —BD—C的大小为60°,求异面直线BC1与AC所成 的角的大小. 答案:arccos

55C1

B1 A1

A 15D C

例2. 在等腰梯形ABCD中,AB=20,CD=12,它的高为2

B

,以底边的中垂线MN为折痕,将梯形

MBCN折至MB1C1N位置,使折叠后的图形成120°的二面角,求: ⑴ AC1的长; D N C C⑵ AC1与MN所成的角; ⑶ AC1与平面ADMN所成的角. 答案:(1) 16 (2) arcsin (3) arcsin387316

A M B B变式训练2:已知四边形ABCD内接于半径为R的⊙O,AC为⊙O的直径,点S为平面ABCD外一点,

S 且SA⊥平面ABCD,若∠DAC=∠ACB=∠SCA=30°,求: ⑴ 二面角S-CB-A的大小;

⑵ 直线SC与AB所成角的大小. 答案:(1) arctan233D C O A (2) arccos

34

B 例3. △ABC和△DBC所在平面互相垂直,且AB=BC=BD,∠ABC=∠DBC=120°.求: ⑴ AD与平面DBC所成的角; ⑵ 二面角A-BD-C的正切值.

A 解:(1) 作AE⊥BC交BC的延长线于E,

由面ABC⊥面BCD知AE⊥向BCD,∠ADE即为所求,求得∠ADE=45°

(2) 作EF⊥BO于F,∠AFE即为所求,求得tan∠AFE=2

D 变式训练3:正三棱柱ABC-A1B1C1中,E是AC中点. B B⑴ 求证:平面BEC1⊥平面ACC1A1; ⑵ 求证:AB1∥平面BEC1; ⑶ 若A1AAB?22B C ,求二面角E-BC1-C的大小.

A E

C AC

答案:(1) 略 (2) 略 (3) 45°

例4: 已知直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ABC=90°,AB=BC=a,AA1=2AB,M为CC1上的点.(1) 当M在C1C上的什么位置时,B1M与平面AA1C1C所成的角为30°; (2) 在(1)的条件下,求AM与A1B所成的角. 解(1) 取A1C1的中点N1,连结B1N1,N1M, 由已知易知B1N1⊥平面A1C1CA.

∴∠B1MN1为B1M与平面A1C1CA所成的角, 设C1M=x,B1N1=

22C B M C1 B1 A1

a.

A

22

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B1N1B1M?22/x2sin < B1MN1=

?a2?12, 解得x=a,

B E A A B E

D

F

C C F D 则C1M=1C1C, ∴M为C1C的中点.

2(2) arccos

1515

变式训练4:已知正方形ABCD,E、F分别是边AB、 CD的中点,将△ADE沿DE折起,如图所示,记二 面角A—DE—C的大小为?(0????),若△ACD 为正三角形,试判断点A在平面BCDE内的射影G 是否在直线EF上,证明你的结论,并求角?的余弦值. 解:点A在平面BCDE内的射影在直线EF上, 过点A作AG⊥平面BCDE,垂足为G, 连结GC、GD. ∵△ACD为正三角形,

∴AC=AD,∴GC=GD,

∴G在CD的垂直平分线上,又∵EF是CD的垂直平分线,

∴点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上,过G作GH⊥ED,垂足为H,连结AH,则AH⊥DE.∴∠AHG是二面角A—DE—C的平面角,即∠AHG=?,

设原正方形ABCD的边长为2a,由直角三角形的射影定理, 可得AH=∴cos??GHAH2a5?,GH=

14a25,

小结归纳 1.两异面直线所成角的作法:

① 平移法:在异面直线中的一条直线上选择“特殊点”,作另一条直线的平行线,常常利用中位线或成比例线段引平行线;

② 补形法:把空间图形补成熟悉的或完整的几何体,如正方体、平行六面体、长方体等,其目的是容易作出两条异面直线所成的角.

2.作出直线和平面所成角的关键是作垂线,找射影. 3.平面角的作法:

① 定义法;② 三垂线法;③ 垂面法.

4.二面角计算,一般是作出平面角后,通过解三角形求出其大小,也可考虑利用射影面积公式 S'=Scosθ来求.

5.空间角的计算有时也可以利用向量的求角公式完成.

第9课时 空间距离

基础过关

1.点与点的距离:两点间 的长.

2.点与线的距离:点到直线的 的长. 3.平行线间的距离:从两条平行线中一条上 一点向另一条引垂线,这点到 之间的线段长.

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4.点与面的距离:点到平面的 的长.

5.平行于平面的直线与平面的距离:直线上 一点到平面的 的长.

6.两个平行平面间的距离:从其中一个平面上 一点向另一个平面引垂线,这点到 之间的线段长.

7.两条异面直线的距离:与两条异面直线都 的直线夹在两 间线段的长. 典型例题 例1. 已知正六边形ABCDEF的边长为a,PA⊥平面AC,PA=a.求: ⑴ P到直线BC的距离; ⑵ P到直线CD的距离. 答案:(1)

72a (2) 2a

变式训练1: 已知平面?外不共线的三点A、B、C到α的距离相 等.求证:存在△ABC的一条中位线平行α或在α内. 提示:分A、B、C在?的同侧与异侧讨论

例2.如图, 直线l上有两定点A、B, 线段AC⊥l,BD⊥l, AC=BD=a,且AC与BD成120°角,求AB与CD间的距离. 解:在面ABC内过B作BE⊥l于B,且BE=AC, 则ABEC为矩形.

∴AB∥CE,∴AB∥平面CDE.

则AB与CD的距离即为B到DE的距离. 过B作BF⊥DE于F,易求得BF=

12a12l A B

C

D ,∴AB与CD的距离为

a.

变式训练2:ABCD是边长为a的正方形,M、N分别为DA、BC边上的点,且MN∥AB交AC于O点,

D 沿MN折成直二面角. C ⑴ 求证:不论MN怎样平行移动(AB∥MN),∠AOC的大小不变;

⑵ 当MN在怎样的位置时,点M到平面ACD的距离最大? M 并求出这个最大值.

A 解(1) 120°; (2) 当且仅当MA=MD时,点M到平面ACD的距离最大,最大值为设MD=x,M到AD的距离h即是M到平面ACD的距离: h=

xx(a?x)2O B

2N

4a.

?(a?x)2≤

x(a?x)2x(a?x)=

x(a?x)2≤

24a(当x=

a2时两不等式同取等号)

例3. 已知ABCD是边长为4的正方形,E、F分别是AB、AD的中点,GC⊥平面ABCD,GC=2,求点

B到平面EFG的距离. G 解:连结AC、BD、AC∩BD=0, ∵E、F分别是AB、AD的中点, ∴EF∥BD,

F D C

A E B

∴B到平面EFG的距离即0到平面EFG的距离,AC∩EF=K,连结KG, ∵EF⊥KC,∴EF⊥平面KGC,过O作OH⊥KG于H,则OH⊥平面EFG, ∴OH即为O到平面EFG的距离,KC=

34AC=3

2,KG=

22,OK=

14AC=

2,由Rt△OHK∽Rt△CKG

24

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21111得OH=.

变式训练3:正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为a,E、F分别是BB1、CD的中点. ⑴ 求证:AD⊥D1F;

⑵ 求证:AE与D1F所成的角; ⑶ 求点F到平面A1D1E的距离. 答案:(1) 略 (2) 90° (3)将F移至AB中点研究

3D1 A

D B1 E F

C1

5A B

例4.在正北方向的一条公路上,一辆汽车由南向北行驶,速度为100千米/小时,一架飞机在一定高度上的一条直线上飞行,速度为100

7

10a.

C

千米/小时,从汽车里看飞机,在某个时刻看见飞机在正西方向,仰角

为30°,在36秒后,又看见飞机在北偏西30°、仰角为30°处,求飞机飞行的高度. 解:如图A、C分别是汽车、飞机开始时的位置, C B、D分别是经过36秒后的位置,ABEF是水平面, CFED是矩形,且CD=AB=

363600363600D F ×100

7

7

(千米),

30°

30° 30° E

3×100=1千米,CF(或DE)则为飞机的飞行高度,设其为x千米,在Rt△CFA中,AF=

3A B G

x;

x在Rt△DEB中,BE=FH=

32x. 作EG⊥AB于G,EH⊥AF于H,则EG=AH=

7

32x,EH=AG=1+

32,

x. 在Rt△FHE中,EF2=FH2+EH2,即()2=(

32x) 2+(1+

32x)2,∴ x=1. 故飞机飞行的高度

为1千米.

变式训练4:如图,四面体ABCD中,△ABC与△DBC都是边长为4的正三角形.

(1)若点D到平面ABC的距离不小于3,求二面角A—BC—D的取值范围; (2)当二面角A—BC—D的平面角为?时,求点C到平面ABD的距离.

3解(1)[?3,23?](提示:D到平面ABC的距离d∈[3,2?33] )

A (2)取BC中点E,连结EA、ED,则∠AED=∴AD=AE=2∵V又S则

13?13

D

B

3

13?4?34?(23)2A?BCD?BC?S?AED??43

C

?ABD?12?23?13?39,设C到平面ABD的距离为h.

?39?h?43?h?121313 小结归纳 1.对于空间距离的重点是点到直线、点到平面的距离,对于两异面直线的距离一般只要求会求给出公垂线段时的距离.

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2、求点到平面的距离的方法:

⑴ 确定点在平面射影的位置,要注意利用面面垂直求作线面垂直及某些特殊性质. ⑵ 转化法.即化归为相关点到平面的距离或转化为线面距或转化为面面距来求. (3) 等体积法:利用三棱锥的体积公式,建立体积相等关系求出某底上的高,即点面距. 3.距离问题有时也可以利用向量的模的计算解决.具体见第11节的小结4、5两点.

第10课时 棱柱 棱锥

基础过关

一、棱柱 1.定义:如果一个多面体有两个面互相 ,而其余每相邻两个面的交线互相 ,这样的多面体叫做棱柱,两个互相平行的面叫做棱柱的 ,其余各面叫做棱柱的 ,两侧面的公共边叫做棱柱的 ,两个底面所在平面的公垂线段,叫做棱柱的 .

2.性质:① 侧棱 ,侧面是 ;② 两个底面与平行于底面的截面是对应边互相平行的 多边形;③ 过不相邻的两条侧棱的截面是 四边形.

3.分类:① 按底面边数可分为 ;② 按侧棱与底面是否垂直可分为: 棱柱

?????? ?????????????? ? ???

4.特殊的四棱柱:四棱柱→平行六面体→直平行六面体→长方体→正四棱柱→正方体.

5.长方体对角线的性质:长方体一条对角线的平方等于一个顶点上三条棱长的 . 二、棱锥

1.定义:如果一个多面体的一个面是 ,其余各面是有一个公共顶点的 ,那么这个多面体叫做棱锥,有公共顶点的各三角形,叫做棱锥的 ;余下的那个多边形,叫做棱锥的 .两个相邻侧面的公共边,叫做棱锥的 ,各侧面的公共顶点,叫做棱锥的 ;由顶点到底面所在平面的垂线段,叫做棱锥的 .

2.性质:如果棱锥被平行于底面的平面所截,那么所得的截面与底面 ,截面面积与底面面积的比等于顶点到截面距离与棱锥高的 .

3.正棱锥的定义:如果一个棱锥的底面是 多边形,且顶点在底面的射影是底面的 ,这样的棱锥叫做正棱锥.

4.正棱锥的性质:

① 正棱锥各侧棱 ,各侧面都是 的等腰三角形,各等腰三角形底边上的高 (它叫做正棱锥的 );

② 正棱锥的高、斜高和斜高在底面内的射影组成一个 三角形,正棱锥的高、侧棱、侧棱在底面内的射影组成一个 三角形.

典型例题 例1.已知正四棱柱ABCD-A1B1C1D1,AB=1,AA1=2, 点E为CC1的中点,点F为BD1的中点. ⑴ 证明:EF为BD1与CC1的公垂线; ⑵ 求点F到面BDE的距离. 答案(1)略; (2)

33D1 A1 F B1

C1 E

D A

2C B B1 C1

a,

26

变式训练1:三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=

A1 A

O B

C

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BC、AC、AA1长均为a,A1在底面ABC上的射影O在AC上. ⑴ 求AB与侧面AC1所成的角;

⑵ 若O点恰是AC的中点,求此三棱柱的侧面积. 答案(1) 45°;(2)

12(2?3?7)a2

P E C

B

例2. 如图,正三棱锥P—ABC中,侧棱PA与底面ABC成60°角. (1)求侧PAB与底面ABC成角大小;

A (2)若E为PC中点,求AE与BC所成的角; (3)设AB=2解:(1)arctan233,求P到面ABC的距离.

3020(2)取PB中点F,连结EF,则∠AEF为所求的角,求得∠AEF=arccos(3)P到平面ABC的距离为23;

. A 变式训练2: 四面体ABCD中,O、E分别是BD、BC的中点, CA=CB=CD=BD=2,AB=AD=(1)求证:AO⊥平面BCD;

(2)求异面直线AB与CD所成的角;

2.

B O D E

C (3)求点E到平面ACD的距离.

答案:(1)易证AO⊥BD,AO⊥OC,∴AO⊥平面BCD; (2)arccos24;(3)用等体积法或向量法可求得点E到平面ACD的距离是

217.

例3. 四棱锥P-ABCD的底面ABCD是直角梯形,AB∥CD,AB=2,CD=1,∠DAB=45°;侧面PAD是等腰直角三角形,AP=PD,且平面PAD⊥平面ABCD. P ⑴ 求证:PA⊥BD;

D ⑵ 求PB与底面ABCD所成角的正切值; C ⑶ 求直线PD与BC所成的角. 答案:(1)略;(2)

55A ;(3)60°

B 变式训练3:在所有棱长均为a的正三棱柱ABC-A1B1C1中,D为BC的中点. ⑴ 求证:AD⊥BC1; ⑵ 求二面角A-BC1-D的大小; ⑶ 求点C到平面ABC1的距离. 提示:(1)证AD⊥平面BB1C1C;(2) arc tan

6BC;(3)

217B D C A

A

a.

例4.如图,在直三棱柱ABC—A1B1C1中,∠ACB=90°,AC=BC=CC1=1,M为AB的中点,A1D=3DB1.

C1 (1)求证:平面CMD⊥平面ABB1A1; B1

D A1 (2)求点A1到平面CMD的距离; (3)求MD与B1C1所成角的大小.

提示(1)转证CM⊥平面A1B;

(2)过A1作A1E⊥DM,易知A1E⊥平面CMD,∴求得A1E=1;

27

C A

M

B

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26(3)异面直线MD与B1C1所成的角为arccos

2变式训练4:在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AA1=AD=1,AB=,O为对角线A1C的中点.

⑴ 求OD与底面ABCD所成的角的大小;

⑵ P为AB上一动点,当P在何处时,平面POD⊥平面A1CD?并证明你的结论. 答案(1) 30°;(2) 当P为AB的中点时,平面POD⊥平面A1CD.

小结归纳 柱体和锥体是高考立体几何命题的重要载体,因此,在学习时要注意以下三点. 1.要准确理解棱柱、棱锥的有关概念,弄清楚直棱柱、正棱锥概念的内涵和外延.

2.要从底面、侧面、棱(特别是侧棱)和截面(对角面及平行于底面的截面)四个方面掌握几何性质,能应用这些性质研究线面关系.

3.在解正棱锥问题时,要注意利用四个直角三角形,其中分别含有九个元素(侧棱、高、侧棱与斜高在底面上的射影、侧棱与侧面与底面所成角、边心距以及底面边的一半)中的三个,已知两个可求另一个.

第11课时 球

基础过关

1.球:与定点的距离 或 定长的点的集合. 2.球的性质

(1) 用一个平面去截一个球,截面是 . (2)球心和截面圆心的连线 于截面.

(3) 球心到截面的距离d与球半径R及截面的半径r有以下关系: .

(4) 球面被经过球心的平面截得的圆叫 .被不经过球心的平面截得的圆叫 . (5) 在球面上两点之间的最短连线的长度,就是经过这两点的大圆在这两点间的一段劣弧长,这个弧长叫 .

3.球的表面积公式和体积公式:设球的半径为R,则球的表面积S= ;球的体积V= . 典型例题 例1. 如图,A、B、C是半径为1的球面上的三点,B、C两点间的球面距离为?,点A与B、C两点的

3球面距离都为?,O为球心,求:

2(1)

?BOC,?AOB的大小;

(2) 球心O到截面ABC的距离.

AOCB

28

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?3解:(1) 因为B、C两点的球面距离为的球面距离都为

?2,即B、C两点与球心连线所夹圆心角为

??3,点A与B、C两点

,即?AOC,?AOB均为直角,所以?BOC?3,?AOB??2

(2) 因为⊿BOC,⊿ABC都是等腰三角形,取BC的中点M,连OM,AM,过O作OH⊥AM于H,可证得OH即为O到截面ABC的距离.

?OM?AM?7232,AM?OA2?OM2?72217

,OH?AM?AO?OM,OH?变式训练1: 球面上有三点A、B、C,A和B及A和C之间的球面距离是大圆周长的1,B和C之间

4的球面距离是大圆周长的1,且球心到截面ABC的距离是

6217,求球的体积.

?3解:设球心为O,由已知,易得∠AOB=∠AOC=

?2,∠BOC=

217,过O作OD⊥BC于D,连AD,再

过O作OE⊥AD于E,则OE⊥平面ABC于E,∴OE=

44. 在Rt△AOD中,由AD·OE=AO·OD?OA

=R=1.∴ V球=3πR3=3π. 例2. 如图,四棱锥A-BCDE中,

AD?底面BCDE,且AC⊥BC,AE⊥BE.

(1) 求证:A、B、C、D、E五点都在以AB为直径的同一球面上; (2) 若?CBE?90,CE??3,AD?1,求B、D两点间的球面距离.

AEDBC

解:(1) 因为AD⊥底面BCDE,所以AD⊥BC,AD⊥BE,又因为AC⊥BC,AE⊥BE,所以BC⊥CD,BE⊥ED.故B、C、D、E四点共圆,BD为此圆的直径.

取BD的中点M,AB的中点N,连接BD、AB的中点MN,则MN∥AD,所以MN⊥底面BCDE,即N的射影是圆的圆心M,有AM=BM=CM=DM=EM,故五点共球且直径为AB. (2) 若∠CBE=90°,则底面四边形BCDE是一个矩形,连接DN,因为:

CE?3,AD?1,?BD?3,MN?2312?BN?1,?BNM??3

,?BND??所以B、D两点间的球面距离是l??R?23?.

变式训练2:过半径为R的球面上一点M作三条两两互相垂直的弦MA、MB、MC. (1) 求证:MA2+MB2+MC2为定值;

29

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(2) 求△MAB,△MAC,△MBC面积之和的最大值. 解:(1) 易求得MA2+MB2+MC2=4R2! (2) S△MAB+S△MAC+S△MBC=MB=MC时取最大值).

例3.棱长为2的正四面体的四个顶点都在同一个球面上,若过该球球心的一个截面(如图),则图中三角形(正四面体的截面)的面积是( ) A.B.C.D.

223212(MA·MB+MA·MC+MB·MC)≤1(MA+MB+MC)=2R(当且仅当MA=

22222

23

解:设正四面体为正四面体ABCD,分析截面图可知,截面经过正四面体的一条棱设为CD,又过球心,设截面与棱AB交于E点,则E为AB的中点,易求得截面三角形的面积为

故选(C).

(1) 证明:PC⊥平面PAB;

(2) 求二面角P-AB-C的平面角的余弦值;

(3) 若点P、A、B、C在一个表面积为12π的球面上,求△ABC的边长. 解 (1) 连结CF,∵PE=EF=1BC=

2122,

变式训练3:已知三棱锥P-ABC中,E、F分别是AC、AB的中点,△ABC,△PEF都是正三角形,PF⊥AB.

AC ∴AP⊥PC ∵CF⊥AB, PF⊥AB, ∴AB⊥平面PCF ∵AC?平面PCF ∴PC⊥AB ∴PC⊥平面PAB.

(2) ∵AB⊥PF, AB⊥CF ∴∠PFC为所求二面角的平面角 设AB=a, 则PF=EF=a, CF=

2a3a,

∴cos∠PFC=

232a?33.

(3) 设PA=x, 球半径为R ∵PC⊥平面PAB,PA⊥PB ∵4πR2=12π, ∴R=得△ABC的边长为2

3, 知△ ABC的外接圆为球之小圆,由x2=

233x·2R.

.

小结归纳 1.因为“球”是“圆”在空间概念上的延伸,所以研究球的性质时,应注意与圆的性质类比.

2.球的轴截面是大圆,它含有球的全部元素,所以有关球的计算,可作出球的一个大圆,化“球”为“圆”来解决问题.

3.球心与小圆圆心的连线,垂直于小圆所在的平面,球的内部结构的计算也由此展开.

4.计算球面上A、B两点的球面距离是一个难点,其关键是利用“AB既是小圆的弦,又是大圆的弦”这一事实,其一般步骤是:

(1) 根据已知条件求出小圆的半径r和大圆的半径R,以及所对小圆圆心角;

30

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(2) 在小圆中,由r和圆心角求出AB;

(3) 在大圆中,由AB和R求出大圆的圆心角;

(4) 由圆心角和R,求出大圆弧长AB (即球面上A、B两点的距离).

立体几何初步单元测试

一、选择题

1. 若直线a、b异面,直线b、c异面,则a、c的位置关系是 A.异面直线

B.相交直线

( )

C.平行直线 D.以上都有可能

2. 设l、m、n表示三条直线,α、β、r表示三个平面,则下面命题中不成立的是 ( ) A.若l⊥α,m⊥α,则l∥m

B.若m?β,n是l在β内的射影,m⊥l,则m⊥n C.若m?α,n?α,m∥n,则n∥α D.若α⊥r,β⊥r,则α∥β

3. 在空间四边形ABCD的边AB、BC、CD、DA上分别取E、F、G、H四点如果EF与HG交于点M,则( )

A.M一定在直线AC上 B.M一定在直线BD上

C.M可能在AC上,也可能在BD上 D.M不在AC上,也不在BD上

4. 点P到ΔABC三边所在直线的距离相等,P在ΔABC内的射影为O,则O为ΔABC的( ) A.外心 B.重心 C.内心 D.以上都不对 5. 已知ABCD为四面体,O为△BCD内一点(如图),则AO?( )

A.充分不必要条件 B.必要不充分条件 C.充要条件

13(AB?AC?AD)是

O为△BCD重心的

A B D D.既不充分又不必要条件 O 6. 已知△ABC中,AB=9,AC=15,∠BAC=120°,△ABC所在平面外一点P到此三角形三个顶点的

C 距离都是14,则点P到平面ABC的距离是 ( ) A.7 B.9 C.11 D.13 7. A、B两地在同一纬线上,这两地间的纬线长为?Rcos?,(R是地球半径,?是两地的纬度数),则这两地间的球面距离为 ( )

A.?R B.?Rcos? C.?R?2?R D.?R??R

8. 在长方体ABCD-A1B1C1D1中,M、N分别是棱BB1,B1C1的中点,若∠CMN=90°,则异面直线AD1与DM所成的角为 ( )

A.30° B.45° C.60° D.90°

9.空间四边形ABCD的各边与对角线的长都为1,点P在边AB上移动,点Q在CD上移动,则点P和Q的最短距离为 ( ) A.

12 B.

22 C.3 D.

432

10.若四面体的一条棱长为x,其余棱长为1,体积为F(x),则函数F(x)在其定义域上 ( ) A.是增函数但无最大值

31

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B.是增函数且有最大值

C.不是增函数且无最大值 D.不是增函数但有最大值

二、填空题 11.在长方形ABCD-A1B1C1D1中,底面是边长为2的正方形,高为4,则点A1到截面AB1D1的距离是 . 12.正四棱锥S-ABCD的侧棱长为的角为 .

13.已知球的两个平行截面面积分别是5?、8?,它们位于球心的同侧,且相距为1,那么这个球的半径是 .

14.已知PA、PB、PC两两垂直且PA=

22,底面的边长为

3,E是SA的中点,则异面直线BE与SC所成

,PB=

3,PC=2,则过P、A、B、C四点的球的体积

为 .

15.已知正三棱柱ABC-A1B1C1的底面边长为2cm,高为4cm,过BC作一个截面,截面与底面ABC成60?角,则截面的面积是 .

三、解答题

16.设P、Q是单位正方体AC1的面AA1D1D、面A1B1C1D1的中心. (1) 证明:PQ∥平面AA1B1B; (2) 求线段PQ的长.

D C

A B P

D

C

Q

AB

17.在长方体ABCD-A1B1C1D1中,已知AA1=2,AB=3,AD=a,求 (1) 异面直线B1C与BD1所成的角; (2) 当a为何值时,使B1C?BD1?

18.如图,正方体AC1中,已知O为AC与BD的交点,M为DD1的中点. (1) 求异面直线B1O与AM所成角的大小. DC1

(2) 求二面角B1-MA-C的正切值.

A

B1

M

19.底面为等腰直角三角形的直三棱柱ABC求二面角B?B1D

32

?AD A

?A1B1C1O B

?2C

,?C?,AA1?AC,D为CC1上的点,且CC1?3C1D,

的大小.

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20.如图,α⊥β,α∩β=l,A∈α,B∈β,点A在直线l上的射影为A1,点B在l上的射影为B1,已知AB=2,AA1=1,BB1=2,求: (1)直线AB与平面β所成角的大小; A α (2)二面角A1—AB—B1的大小. ABl

β B

21.直四棱柱A1B1C1D1—ABCD底面是边长为1的菱形,侧棱长为2.

(1) 求证:平面A1DC1⊥平面BB1DD1;

(2) 若异面直线B1D与A1D1所成角为60°,求二面角A1-DB1-C1的平面角的余弦值; (3) 判断∠DB1C1能否为钝角?请说明理由.

D C

A B

D1 C1

A1 B 1

立体几何初步单元测试参考答案:

1.D 2. D 3. D 4. C 5. C 6. A 7. C 8. D 9. B 10.D 11.

4?3 12.

?3 13. 3 14.

9223cm2.

16.(本题考查证明线面平行的方法)

(1)证法一:取AA1,A1B1的中点M,N,连结MN,NQ,MP ?MP//AD,MP?12AD,NQ//A1D1,NQ?12A1D1

?MP//ND且MP?ND

?四边形PQNM为平行四边形

?PQ//MN?MN?面AA1B1B,PQ?面AA1B1B

?PQ//面AA1B1B证法二:连结AD1,AB1,在△AB1D1中,显然P,Q分别是AD1,D1B的中点

33

15.

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12∴PQ∥AB1,且PQ=AB1 ∵ PQ?面AA1B1B,AB1?AA1B1B

∴ PQ∥面AA1B1B

证法三:取A1D1的中点R,则PR∥DD1∥BB1,OR∥A1B1,平面PQR∥平面AA1B1B,PQ∥平面AA1B1B (2) 方法一:PQ=MN=方法二:PQ=AB1=

21A1M22?A1N2?22a

2a

评注:本题提供了两种解法,方法一,通过平行四边形的对边平行得到“线线平行”,从而证得“线面平行”;方法二,通过三角形的中位线与底边平行得到“线线平行”,从而证得“线面平行”.本题证法较多. 17.解:以D为坐标原点,以DA为x轴,DC为y轴,DD1为z轴建立空间直角坐标系,则有:

B(a,3,0),D1(0,0,2),B1(a,3,2),C(0,3,0)

.从而

?4所以BD1?(?a,?3,2),B1Ccos?BD1,B1C??BD1?B1CBD1?B1C??(?a,0,?2)aa22?4a2?13?所以异面直线B1C与BD1所成的角为arccos(2) 当a?2时,B1C18.(1)

方法一:BO?AC,?B1O?AC,设正方体的棱长为则B1O?MB12a?4a?13?a?4222.

?BD1.

a,62a,MO?232a,MB1?32a?B1D?MO2,?MO?B1O

?B1O?面MAO?B1O?AM方法二:取AD中点N,连结A1N,则A1N是B1O在侧面ADD1A1上的射影. 易证AM⊥A1N

∴AM⊥B1O(三垂线定理)

方法三:建立空间真正坐标系(以A为原点,岔以AB、AD、AA为x轴、y轴、z轴,设正方体棱长为1) 则A(0, 0, 0),M(0, 1,

1211),O(,,0),B1(1, 0, 1)

22五年高考荟萃 2009年高考题

一、选择题

1. 一空间几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为( ).

34

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A.2??23 B. 4??23 C. 2??【解析】:该空间几何体为一圆柱和一四棱锥组成的, 圆柱的底面半径为1,高为2,体积为2?,四棱锥的底面 边长为2,高为3,

1233 D. 4??2 233 2 所以体积为?3??22?3?233233

2 2 正(主)视图

2 侧(左)视图

所以该几何体的体积为2??答案:C

.

【命题立意】:本题考查了立体几何中的空间想象能力, 由三视图能够想象得到空间的立体图,并能准确地 计算出.几何体的体积.

俯视图

2.一个棱锥的三视图如图,则该棱锥的全面积(单位:cm2)为 (A)48+12

2 (B)48+242

(C)36+122 (D)36+242 3.正六棱锥P-ABCDEF中,G为PB的中点,

则三棱锥D-GAC与三棱锥P-GAC体积之比为 (A)1:1 (B) 1:2 (C) 2:1 (D) 3:2

?x14.在区间[-1,1]上随机取一个数x,cos的值介于0到之间的概率为( ).

22A.

13 B.

2? C.

12 D.

23

?212?【解析】:在区间[-1,1]上随机取一个数x,即x?[?1,1]时,?区间长度为1, 而cos答案 C

?x2?x2??2, ∴0?cos12?x2?1

的值介于0到

12之间的区间长度为,所以概率为.故选C

【命题立意】:本题考查了三角函数的值域和几何概型问题,由自变量x的取值范围,得到函数值cos围,再由长度型几何概型求得.

5. 如右图,某几何体的正视图与侧视图都是边长为1的正方形,且体积为

12?x2的范

。则该集合体的俯视图可以是

答案: C 6.纸制的正方体的六个

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面根据其方位分别标记为上、下、东、南、西、北。现有沿该正方体

的一些棱将正方体剪开、外面朝上展平,得到右侧的平面图形,则标“?”的面的方位是 A. 南 B. 北 C. 西 D. 下 解:展、折问题。易判断选B

?7.如图,在半径为3的球面上有A,B,C三点, ?ABC?90,BA?BC,

球心O到平面ABC的距离是?3322,则B、C两点的球面距离是

4?3A. B.? C. D.2?

答案 B

8.若正方体的棱长为2,则以该正方体各个面的中心为顶点的凸多面体的体积为26233323A. B. C. D.

答案 C

9,如图,已知三棱锥的底面是直角三角形,直角边长分别为3和4,过直角顶点的侧棱长为4,且垂直于底面,该三棱锥的主视图是( )

答案 B

二、填空题

10..图是一个几何体的

三视图,若它的体积是33,则a=_______ 答案

3

11.如图是一个几何体的三视图,若它的体积是33,则a?__________

12.若某几何体的三视图(单位:cm)如图所示,则此几何体的体积是 cm. 答案 18

36

3

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【解析】该几何体是由二个长方体组成,下面体积为1?3?3?9,上面的长方体体积为3?3?1?9,因此其几何体的体积为18

13.设某几何体的三视图如下(尺寸的长度单位为m)。

则该几何体的体积为 m3

答案 4

14. 直三棱柱ABC?A1B1C1的各顶点都在同一球面上,若

AB?AC?AA1?2,?BAC?120?,则此球的表面积等于 。

解:在?ABC中AB?AC?2,?BAC?120?,可得BC?23,由正弦定理,可得?ABC 外接圆半径r=2,设此圆圆心为O?,球心为O,在RT?OBO?中,易得球半径R?4?R?20?.

5,故此球的表面积为215.正三棱柱ABC?A1B1C1内接于半径为2的球,若A,B两点的球面距离为?,则正三棱 柱的体积为 .

答案 8

16.体积为8的一个正方体,其全面积与球O的表面积相等,则球O的体积等于 . 答案

86??

17.如图球O的半径为2,圆O1是一小圆,O1O?是圆O1上两点,若A,B两点间的球面距离为

?22,A、B

2?3,则?AO1B= . 答案

18.已知三个球的半径R1,R2,R3满足R1?2R2?3R3,则它们的表面积S1,S2,S3, 满足的等量关系是___________.

答案

S1?2S2?3S3

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S1S2?419.若球O1、O2表示面积之比答案 2

三、解答题

20.(本小题满分13分)

,则它们的半径之比

R1R2=_____________.

某高速公路收费站入口处的安全标识墩如图4所示。墩的上半部分是正四棱锥

P?EFGH,下半部分是长方体ABCD?EFGH。图5、图6分别是该标识墩的正(主)视图和俯视图 (1)请画出该安全标识墩的侧(左)视图;

(2)求该安全标识墩的体积; (3)证明:直线BD?平面PEG.

【解析】(1)侧视图同正视图,如下图所示.

(2)该安全标识墩的体积为:V?VP?EFGH?VABCD?EFGH ?13?40?60?40?20?32000?32000?64000

22?cm?

2 (3)如图,连结EG,HF及 BD,EG与HF相交于O,连结PO. 由正四棱锥的性质可知,PO?平面EFGH , ?PO?HF 又EG?HF ?HF?平面PEG

又BDPHF ?BD?平面PEG;

38

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2005—2008年高考题

一、选择题

1.(2008广东)将正三棱柱截去三个角(如图1所示A,B,C分别是△GHI三边的中点)得到几何体如图2,则该几何体按图2所示方向的侧视图(或称左视图)为( ) H

A B I

C G 侧视 D

F 图1 答案 A

2.(2008海南、宁夏理)某几何体的一条棱长为7,在该几何体的正视图中,这条棱的投影是长为6的线段,在该几何体的侧视图与俯视图中,这条棱的投影分别是长为a和b的线段,则a+b的最大值为( ) A.22 答案 C

【解析】结合长方体的对角线在三个面的投影来理解计算。如图 设长方体的高宽高分别为m,n,k,由题意得 m?n?k1?k2A B C B

E

A.

B

B B E E

F 图2

D E

E B.

C.

E D.

B.23 C.4 D.25 knm222?7,m?k222?26?n?1

22?a,1?m?b,所以(a?1)?(b?1)?6

222222?a?b?8,∴(a?b)?a?2ab?b?8?2ab?8?a?b?16 ?a?b?4当且仅当a?b?2时取等号。

3.(2008山东)下图是一个几何体的三视图,根据图中数据,可得该几何体的表面积是 A.9π B.10π C.11π D.12π

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答案 D

【解析】考查三视图与几何体的表面积。从三视图可以看出该几何体是由一个球和一个圆柱组合而成的,其表面及为

S?4??1???1?2?2??1?3?12?.

223. (2007宁夏理?8) 已知某个几何体的三视图如下,根据图中标出的尺寸(单位:cm),可得这个几何体的体积是( ) A.

4000310 2010 20正视图

cm B.

320侧视图

80003320俯视图

33cm C.2000cm D.4000cm

答案 B

4. (2007陕西理?6)一个正三棱锥的四个顶点都在半径为1的球面上,其中底面的三个顶点在该球的一个大圆上,则该正三棱锥的体积是( ) A.

334 B.

33 C.

34 D.

312

答案 B

5.(2006安徽)表面积为23 的正八面体的各个顶点都在同一个球面上,则此球的体积为

231A.? B.? C.

323? D.

223?

答案 A

【解析】此正八面体是每个面的边长均为a的正三角形,所以由8?a?1,则此球的直径为3a42?23知,

2,故选A。

3236.(2006福建)已知正方体外接球的体积是?,那么正方体的棱长等于( )

40

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