1、十 空间中的距离(15 分钟 30 分)1正方体的棱长为 a,且正方体各面的中心是一个几何体的顶点,这个几何体的棱长为()A 22a B12 a C 33 D13 a【解析】选 A.如图,建立空间直角坐标系,因为正方体的棱长为 a,所以 Ea2,a2,a,F(a2,a2,0),M(a2,a,a2),N(0,a2,a2),P(a2,0,a2),Q(a,a2,a2).这个几何体是正八面体,棱长 PQ222aaaa(a)(0)()2222 22a.所以这个几何体的棱长为 22a.2已知正三棱柱 ABC-A1B1C1中,AB1,则点 A 到平面 BCC1B1的距离等于()A1 B 22 C12 D 3
2、2【解析】选 D.因为在正三棱柱 ABC-A1B1C1 中,AB1,所以 ABC 是边长为 1 的等边三角形,BB1平面 ABC,取 BC 中点 D,连接 AD,则 ADBC,ADBB1,因为 BCBB1B,所以 AD平面 BCC1B1,则点 A 到平面 BCC1B1 的距离为 AD2211()2 32.3在ABC 中,ABAC5,BC6,PA平面 ABC,PA8,则点 P 到 BC的距离是()A.5B2 5C3 5D4 5【解析】选 D.过点 A 作 ADBC 于点 D,连接 PD,因为 ABAC5,BC6,所以 BDDC3,又因为 PA平面 ABC,ADBC,所以 BCPD,所以点 P 到
3、 BC 的距离是 PD 的长,在 ADC 中,AC5,DC3,所以 AD4,在 Rt PAD 中,PD PA2AD2 8242 80 4 5.4在长方体 ABCD-A1B1C1D1 中,AA11,AD2,AB4,E 是 AC 的中点,则 D1E_,点 A 到 D1C 的距离为_【解析】建系如图,则 A()2,0,0,D1()0,0,1,C()0,4,0,E()1,2,0,1D C()0,4,1,1D E()1,2,1,所以|D1E 6,所以1D E 6.设 F()x,y,z满足1D F1D C,AF 1D C,所以1D F()x,y,z1()0,4,1()0,4,所以 F()0,4,1,AF(
4、)2,4,1,由AF 1D C0 得,117,AF 2,417,1617,所以AF2 35717,即点 A 到 D1C 的距离为2 35717.答案:6 2 35717 5已知在正四棱柱 ABCD-A1B1C1D1 中,AB2,CC12 2,E 为 CC1 的中点,求直线 AC1 与平面 BED 的距离【解析】连接 AC 交 BD 于点 O,连接 EO,则 OEAC1,得 AC1平面 BED,所以 AC1 到平面 BED 的距离,即为 C1 点到平面 BED 的距离,又 C1ECE 且 CC1平面 BEDE,所以 C1 点到平面 BED 的距离等于 C 点到平面 BED 的距离又 BD平面 E
5、CO,所以平面 BED平面 ECO,过点 C 作 CHEO 于点 H,则 CH 的长即为点 C 到平面 BED 的距离,所以 CHCECOEO 2 221.(30 分钟 60 分)一、单选题(每小题 5 分,共 20 分)1已知正方体 ABCD-A1B1C1D1 的棱长为 1,若点 P 满足AP 35 AB 13 AD 141AA,则点 P 到直线 AB 的距离为()A 25144 B 512 C1320 D 10515【解析】选 B.如图,过点 P 作 PM平面 ABCD 于点 M,过点 M 作 NMAB 于点 N,连接 PN,则 PN 的长即为所求,因为满足AP 35 AB 13 AD 1
6、41AA,所以 AN35,MN13,MP14,所以 PN MN2MP2 512.2如图,在四面体 ABCD 中,AB,BC,BD 两两垂直,BCBD2,点 E 是CD 的中点,若直线 AB 与平面 ACD 所成角的正弦值为13,则点 B 到平面 ACD的距离为()A.22 B43 C2 23 D23【解析】选 B.在四面体 ABCD 中,AB,BC,BD 两两垂直,以 B 为原点,BC为 x 轴,BD 为 y 轴,BA 为 z 轴,建立空间直角坐标系,BCBD2,点 E 是 CD 的中点,设 BAt,则 A(0,0,t),B(0,0,0),C(2,0,0),D(0,2,0),AB(0,0,t)
7、,CA(2,0,t),CD(2,2,0),设平面 ACD 的法向量 n(x,y,z),则nCA 2xtz0nCD 2x2y0,取 x1,得 n1,1,2t,因为直线 AB 与平面 ACD 所成角的正弦值为13,所以|AB n|AB|n|2(t)224t213,解得 t4(t4,舍),所以平面 ACD 的法向量 n1,1,12,AB(0,0,4),所以点 B 到平面 ACD 的距离为 d|AB n|n|29443.3(2020遂宁模拟)用六个完全相同的正方形围成的立体图形叫正六面体已知正六面体 ABCD-A1B1C1D1的棱长为 4,则平面 AB1D1与平面 BC1D 间的距离为()A 3 B
8、63 C4 33 D2 3【解析】选 C.由题意正六面体 ABCD-A1B1C1D1 是棱长为 4 的正方体,因为 AB1DC1,B1D1BD,AB1B1D1B1,C1DBDD,所以平面 AB1D1平面 BC1D,连接 A1C,可得 A1C平面 AB1D1,A1C平面 BC1D.设垂足分别为 E,F,则平面 AB1D1 与平面 BC1D 间的距离为 EF 的长正方体的棱长为 424242 4 3.在三棱锥 A1-AB1D1 中,由等体积法求得:A1E12444124 24 2 324 33.所以平面 AB1D1 与平面 BC1D 间的距离为 4 3 8 334 33.4在长方体 ABCD-A1
9、B1C1D1 中,AB1,AD2,AA15,P 是棱 DD1 上的动点,则 PA1C 的面积最小时,DP()A1 B2 C52 D4【解析】选 A.以点 A 为坐标原点,AB,AD,AA1 分别为 x 轴,y 轴,z 轴建立如图所示的空间直角坐标系,则 A1(0,0,5),C(1,2,0),P(0,2,z)(0z5),所以 PA1 4(z5)2,A1C 1425 30,PC 1z2,所以 cos A1PC4(z5)21z2302PA1PCz25zPA1PC,所以 sin A1PC1z25zPA1PC2 5z210z29PA1PC,所以 S PA1C12 PA1PC sin A1PC 5z210
10、z292 5(z1)2242 6,当且仅当 z1 时取等号,即当 z1 时,PA1C 的面积取得最小值 6.二、多选题(每小题 5 分,共 10 分,全部选对得 5 分,选对但不全的得 3 分,有选错的得 0 分)5如图,在正方体 ABCD-A1B1C1D1 中,F 是棱 A1D1 上的动点下列说法不正确的是()A.对任意动点 F,在平面 ADD1A1 内不存在与平面 CBF 平行的直线B对任意动点 F,在平面 ABCD 内存在与平面 CBF 垂直的直线C当点 F 从 A1 运动到 D1 的过程中,二面角 F-BC-A 的大小不变D当点 F 从 A1 运动到 D1 的过程中,点 D 到平面 C
11、BF 的距离逐渐变大【解析】选 ABD.因为 AD 在平面 ADD1A1 内,且平行平面 CBF,故 A 不正确;平面 CBF 即平面 A1D1CB,又平面 A1D1CB 与平面 ABCD 斜相交,所以在平面ABCD 内不存在与平面 CBF 垂直的直线,故 B 不正确;平面 CBF 即平面 A1D1CB,平面 A1D1CB 与平面 ABCD 是确定平面,所以二面角不改变,故 C 正确;平面 CBF 即平面 A1D1CB,点 D 到平面 A1D1CB 的距离为定值,故不正确 6已知正四棱柱 ABCD-A1B1C1D1 的底面边长为 1,AA12,则()AD1C平面 A1BC1B异面直线 A1B
12、与 AC 所成角的余弦值为45CAC平面 BB1D1DD点 B1 到平面 A1BCD1 的距离为2 55【解析】选 ACD.如图,在正四棱柱 ABCD-A1B1C1D1 中,因为 A1D1BC,A1D1BC,所以四边形 BA1D1C 为平行四边形,则 D1CA1B.因为 A1B 平面 A1BC1,D1C平面 A1BC1,所以 D1C平面 A1BC1,故 A 正确;因为 D1CA1B,所以异面直线 A1B 与 AC 所成角即为ACD1.由已知求得 AC 2,AD1CD1 5,则 cos ACD112ACCD1 225 1010,故 B 错误;在正四棱柱 ABCD-A1B1C1D1 中,DD1底面
13、 ABCD,则 DD1AC,又 ACBD,BDDD1D,所以 AC平面 BB1D1D,故 C 正确;设点 B1 到平面 A1BCD1 的距离为 h,由 VB-A1B1D1VB1-A1BD1,得13 12 11213 12 1 5 h,则 h2 55.即点 B1 到平面 A1BCD1 的距离为2 55,故 D 正确 三、填空题(每小题 5 分,共 10 分)7已知三棱锥 O-ABC,OAOB,OBOC,OCOA,且 OA1,OB2,OC2,则点 A 到直线 BC 的距离为_.【解析】以 O 为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系 Oxyz.由题意可知 A(1,0,0),B(0,2,0),C(0
14、,0,2),所以AB(1,2,0),BC(0,2,2),|AB|140 5,|AB BC|BC|2.所以点 A 到直线 BC 的距离 d 52 3.答案:3 8如图,一个结晶体的形状为平行六面体,其中,以顶点 A 为端点的三条棱长都相等,且它们彼此的夹角都是 60,若对角线 A1C 的长是棱长的 m 倍,则 m 等于_【解题指南】设棱长为 a,由1A C1A AAB BC,得21A C(1A AAB BC)2,推导出1A C 2 a.由此能求出 m 的值【解析】一个结晶体的形状为平行六面体,以顶点 A 为端点的三条棱的长度都相等,且它们彼此的夹角都是 60.设棱长为 a,对角线 A1C 的长是
15、棱长的 m 倍,1A C1A AAB BC,所以21A C(1A AAB BC)221A A AB2BC22|1A A|AB|cos 1202|1A A|BC|cos 1202|AB|BC|cos 60a2a2a2a2a2a22a2,所以1A C 2 a.所以 m 2.答案:2四、解答题(每小题 10 分,共 20 分)9如图,在棱长为 2 的正方体 ABCD-A1B1C1D1 中,E,F 分别为 AB,A1C 的中点(1)求 EF;(2)求证:EF平面 AA1D1D.【解题指南】(1)以 D 为原点,DA 为 x 轴,DC 为 y 轴,DD1 为 z 轴,建立空间直角坐标系,利用向量法能求出
16、|EF|,即得 EF.(2)求出1AD(2,0,2),由1AD 2EF,得 AD1EF,由此能证明 EF平面AA1D1D.【解析】(1)在棱长为 2 的正方体 ABCD-A1B1C1D1 中,E,F 分别为 AB,A1C 的中点以 D 为原点,DA 为 x 轴,DC 为 y 轴,DD1 为 z 轴,建立空间直角坐标系,由题知,E(2,1,0),F(1,1,1),所以EF(1,0,1),所以|EF|(1)20212 2,即 EF 2.(2)由题知 A(2,0,0),D1(0,0,2),所以1AD(2,0,2),所以1AD 2EF,故 AD1EF,又 AD1 平面 AA1D1D,EF平面 AA1D
17、1D,所以 EF平面 AA1D1D.10已知正方形 ABCD 的边长为 1,PD平面 ABCD,且 PD1,E,F 分别为AB,BC 的中点(1)求点 D 到平面 PEF 的距离;(2)求直线 AC 到平面 PEF 的距离【解析】(1)建立以 D 为坐标原点,DA,DC,DP 分别为 x 轴,y 轴,z 轴正方向的空间直角坐标系,如图所示 则 P(0,0,1),A(1,0,0),C(0,1,0),E1,12,0,F12,1,0,EF 12,12,0,PE 1,12,1,DE 1,12,0,设平面 PEF 的法向量 n(x,y,z),则12x12y0,x12yz0.令 x2,则 y2,z3,所以
18、 n(2,2,3),所以点 D 到平面 PEF 的距离为 d|DE n|n|21|449 31717,因此,点 D 到平面 PEF 的距离为 31717.(2)易知 ACEF,得 AC平面 PEF,因为AE 0,12,0,所以点 A 到平面 PEF 的距离为 d|AE n|n|117 1717,所以 AC 到平面 PEF 的距离为 1717.【补偿训练】如图,已知四棱锥 S-ABCD,SA底面 ABCD,DABABC90,AB4,BC3,AS4,E 是 AB 的中点,F 在 BC 上,且 BF12 FC,求点 A 到平面 SEF的距离【解析】以点 A 为坐标原点,分别以 AD,AB,AS 所在
19、的直线为 x 轴,y 轴,z轴建立空间直角坐标系 Axyz,如图所示,则 A(0,0,0),E(0,2,0),F(1,4,0),S(0,0,4),AS(0,0,4),SE(0,2,4),SF(1,4,4).设平面 SEF 的一个法向量为 n(x,y,z),则SE n0,且SF n0,即(0,2,4)(x,y,z)2y4z0,且(1,4,4)(x,y,z)x4y4z0,在上面的两个方程中,令 z1,则可解得 x4,y2,所以 n(4,2,1),因此,点 A 到平面 SEF 的距离 d|ASn|n|421 4 2121.1点 M 是棱长为 3 的正方体 ABCD-A1B1C1D1 中棱 AB 的中
20、点,CN 21NC,动点 P 在正方形 AA1DD1(包括边界)内运动,且 PB1平面 DMN,则 PC 的长度范围为()A 13,19 B3 355,19C2 3,19 D3 395,19【解题指南】以 D 为原点,DA 为 x 轴,DC 为 y 轴,DD1 为 z 轴,建立空间直角坐标系,平面 DMN 截正方体 ABCD-A1B1C1D1 的截面为梯形 DMEN,其中MEDN,BE1,取 C1D1 中点 F,在 DD1 上取点 H,使 DH2,在 AA1 取点 G,使 AG1,则平面 DMEN平面 B1FHG,推导出 P 点的轨迹是线段 GH,利用向量法能求出 PC 的长度范围【解析】选
21、B.以 D 为原点,DA 为 x 轴,DC 为 y 轴,DD1 为 z 轴,建立空间直角坐标系,平面 DMN 截正方体 ABCD-A1B1C1D1 的截面为梯形 DMEN,其中 MEDN,BE1,取 C1D1 中点 F,在 DD1 上取点 H,使 DH2,在 AA1 取点 G,使 AG1,则平面 DMEN平面 B1FHG,因为动点 P 在正方形 AA1DD1(包括边界)内运动,且 PB1平面 DMN,所以 P 点的轨迹是线段 GH,G(3,0,1),H(0,0,2),C(0,3,0),B1(3,3,3)GH(3,0,1),GB1(0,3,2),所以点 C 到线段 GH 的距离 d|GC|1co
22、s GC,GH 2 19 281()19103 355,所以 PC 的长度的最小值为3 353,GC 19,HC 13,所以 PC 长度的最大值为 19.所以 PC 的长度范围为3 355,19.2如图,以棱长为 a 的正方体的三条棱为坐标轴,建立空间直角坐标系 Oxyz,点 P 在正方体的对角线 AB 上,点 Q 在正方体的棱 CD 上(1)当点 P 为对角线 AB 的中点,点 Q 在棱 CD 上运动时,探究 PQ 的最小值;(2)当点 P 在对角线 AB 上运动,点 Q 为棱 CD 的中点时,探究 PQ 的最小值;(3)当点 P 在对角线 AB 上运动,点 Q 在棱 CD 上运动时,探究
23、PQ 的最小值【解析】因为正方体的棱长为 a,所以 A(a,a,0),B(0,0,a),C(0,a,0),D(0,a,a),可得 AB 的中点为12a,12a,12a,CD 中点为0,a,12a.(1)当点 P 为对角线 AB 的中点,点 Q 在棱 CD 上运动时,可得 P(12 a,12 a,12 a),设 Q(0,a,m)(0ma),所以 PQ222111(a0)(aa)(am)2222211a(am)2222111a(aa)222 22a,当且仅当 m12 a 时,即 Q 为 CD 的中点时,PQ 的最小值为 22a.(2)当 P 在对角线 AB 上运动,点 Q 为棱 CD 的中点时,可得 Q0,a,12a,设 P(n,n,an)(0na),PQ2221(0n)(an)(aan)222113(na)a22221113(aa)a222 22a,当且仅当 n12 a 时,即 P 为 AB 的中点时,PQ 的最小值为 22a.(3)设 P(,a),Q(0,a,)(0a 且 0a),可得 PQ 2(a)2(a)2222a12()(a)a22,因为 22a()20,(a)20,所以 2(a2)2(a)212 a212 a2,当且仅当 a2 a0 时,等号成立,此时 12 a,所以当且仅当 P,Q 分别为 AB,CD 的中点时,PQ 的最小值为22a.