高考数学压轴专题(易错题)备战高考《空间向量与立体几何》全集汇编含答案解析

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2020年08月16日 04:49
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【高中数学】数学《空间向量与立体几何》期末复习知识要点

一、选择题
1
.以下说法正确的有几个(




四边 形确定一个平面;

如果一条直线在平面外,那么这条直线与该平面没有公共
点;
过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行;

如果两条直线垂直于同一条
直线,那么这两条直线平行;

A

0


【答案】
B

【解析】

【分析】

对四个说法逐一分析,由此得出正确的个数
.

【详解】


错误,如空间四边形确定一个三棱锥
. ②
错误,直线可能和平面相交
. ③
正确,根据公
理二可判断

正确
. ④
错误,在空间中, 垂直于同一条直线的两条直线可能相交,也可能
异面,也可能平行
.
综上所述,正确的 说法有
1
个,故选
B.

【点睛】

本小题主要考查空间有关命题真假性的判断,属于基础题
.

B

1

C

2

D

3



2
.在三棱锥
PABC< br>中,
PA
平面
ABC
,且
ABC
为等边三角形,
APAB2

则三棱锥
PABC
的外接球的表面积为(



A

27


2
B

28


3
C

26


3
D

25


2
【答案】
B

【解析】

【分析】
< br>
PA

可得出外接球的半径,进而可计算出
ABC
的外接 圆半径
r
,利用公式
Rr
2



2

得出三棱锥
PABC
的外接球的表面积
.

【详解】

2
ABC
的外接圆半径为
r
AB< br>2sin

3

23
3


QPA 
底面
ABC
,所以,三棱锥
PABC
的外接球半径为

23

21

PA

2

Rr
2


1



2 33



21

28

2
.

4

R4


因此,三棱锥
P ABC
的外接球的表面积为


3

3
2
2
2


故选:
B.

【点睛】

本题考查三棱锥外接球表面积的计算,解题时要分析几何体的结构,选择合适的公式计算
外接球 的半径,考查计算能力,属于中等题
.


3
.已知圆锥
S C
的高是底面半径的
3
倍,且圆锥
SC
的底面直径、体积分别与圆柱
OM
的底面半径、体积相等,则圆锥
SC
与圆柱
OM
的侧面 积之比为(


.

A

10:1

【答案】
A

【解析】

【分析】

设圆 锥
SC
的底面半径为
r
,可求得圆锥的母线长,根据圆锥侧面积公式求得侧面 积;由
圆锥体积与圆柱体积相等可构造方程求得圆柱的高,进而根据圆柱侧面积公式求得圆柱侧
面积,从而求得比值
.

【详解】

设圆锥
SC
的 底面半径为
r
,则高为
3r


圆锥
SC
的母线长
lr
2
9r
2
10r


B

3:1
C

2:1
D

10:2


圆锥
SC
的侧面积为

rl10

r
2


圆柱
OM
的底面半径为
2r
,高为
h


又圆锥的体积
V
1
2
r

r3r

r
3

4

r
2
h

r
3

h


34

圆柱
OM
的侧面积为
2

2rh4

rh
r
2



圆锥
SC
与圆柱
OM的侧面积之比为
10

r
2
:

r
2
10:1
.

故选:
A
.

【点睛】

本题考查圆锥和圆柱侧面积的求解问题,涉及到圆锥和圆柱体积公式的应用 ,属于基础题
.


4
.鲁班锁(也称孔明锁、难人木、六子联方) 起源于古代中国建筑的榫卯结构
.
这种三维
的拼插器具内部的凹凸部分(即榫卯结构) 啮合,十分巧妙
.
鲁班锁类玩具比较多,形状和
内部的构造各不相同,一般都是易拆难 装
.
如图
1
,这是一种常见的鲁班锁玩具,图
2
是该
鲁班锁玩具的直观图,每条棱的长均为
2
,则该鲁班锁的表面积为(




A

8(6623)
B

6(8823)
C

8(6632)
D

6(8832)

【答案】
A


【解析】

【分析】

该鲁班锁玩具可以看成是一个 正方体截去了
8
个正三棱锥所余下来的几何体,然后按照表
面积公式计算即可
.

【详解】

由题图可知,该鲁班锁玩具可以看成是一个棱长为
2 22
的正方体截去了
8
个正三棱锥
所余下来的几何体,且被截去的正三棱锥 的底面边长为
2
,侧棱长为
2
,则该几何体的
表面积为
< br>11

S6

(222)
2
422

823
8(6623)
.

22

故选:
A.

【点睛】

本题考查数学文化与简单几何体的表面积,考查空间想象能力和运算求解能力
.


5
.如图,棱长为
1
的正方体
ABCDA
1< br>B
1
C
1
D
1

O
是底面
A
1
B
1
C
1
D
1
的中心,则
O
到平

ABC
1
D
1
的距离是(





A

1

2
B

2

4
C

2

2
D

3

2
【答案】
B

【解析】

【分析】

如图建立空间直角坐标系,可证明
A
1
D
平面
ABC
1
D
1
,故平面
ABC
1
D
1
的一个法向量
uuuur
为:
DA
1
,利用点到平面距离的向量公式即得解
.

【详解】




如图建立空间直角坐标系,则:

11
O(,,1),D
1
(0,0,1),A(1,0,0),B(1,1,0),C
1< br>(0,1,1)


22
uuuur
11
OD
1
(,,0)

22
由于
AB
平面
ADD
1
A
1
,AD
1

平面
ADD
1
A
1

ABA
1
D
,又
AD
1
A
1
D< br>,
ABIAD
1

A
1
D
平面
ABC
1
D
1

uuuur
故平面
ABC
1
D
1
的一个法向量为:
DA,0,1)

1
(1
1
uuuuruuuur
|OD
1
DA
1
|
2

uuuur
d 
2

4
|DA
1
|
2
故选:
B

【点睛】

本题考查了点到平面距离的向量表示,考查了学生空间想象, 概念理解,数学运算的能
力,属于中档题
.

O
到平面
ABC
1
D
1
的距离为:


6
.已知
VABC
的三个顶点在以
O
为球心的球 面上,且
cosA
22

BC1

3
AC3
,三棱锥
OABC
的体积为
A

36


【答案】
B

【解析】

【分析】

B

16


14
,则球
O
的表面积为
( )

6
C

12

D

16


3


根据余弦定理和勾股定理的 逆定理即可判断三角形
ABC
是直角三角形,根据棱锥的体积
求出
O
到平面
ABC
的距离,利用勾股定理计算球的半径
OA
,得出球的面积.
【详解】

AB
2
AC
2
BC
2
AB
2
9122
由余弦定理得
cosA
,解得AB22



2AB
g
AC6AB3
 AB
2
BC
2
AC
2
,即
ABBC


AC
为平面
ABC
所在球截面的直径.


OD
平面
ABC
,则
D

AC
的中点,

11114


QV
OABC
S
 ABC
gOD221OD
3326
OD
7


2
OAOD
2
AD
2
2


S
球O
4

OA
2
16



故选:
B



【点睛】

本题考查了球与棱锥的关系,意在考查学生对这些知识的理解掌握水平,判断
ABC
的形< br>状是关键.


7
.棱长为
2
的正方体被一个平面所 截,得到几何体的三视图如图所示,则该截面的面积为
( )


A

9

2
B

92

2
C

32
D

3

【答案】
A

【解析】

【分析】

由已 知的三视图可得:该几何体是一个正方体切去一个三棱台,其截面是一个梯形,分别


求出 上下底边的长和高,代入梯形面积公式可得答案.

【详解】


由 已知的三视图可得:该几何体是一个正方体切去一个三棱台
ABCDEF
,所得的组合
体,

其截面是一个梯形
BCFE


上底长为
1
2
1
2

高为:
2
2
(
2
,下底边长为
2
2
2
2
22


2
2
32


)
22
故截面的面积
S
故选:
A


【点睛】

1329
(222)


222
本题考查的知识点是由三视图求体积和表面积,解决本题的关键是得到该几何体的形状.


8
.一个几何体的三视图如图所示,则该几何体的体积为


A

8
23

3
B

823
C

28

3
D

10

【答案】
A


【解析】

【分析】

根据三视图可知该几何体为一 组合体,是一个棱长为
2
的正方体与三棱锥的组合体,根据
体积公式分别计算即可.

【详解】

几何体为正方体与三棱锥的组合体,由正视图、俯视图可得该几何体的体积为

1123
,

V2
3
+2328
323
故选
A.

【点睛】

本题主要考查了三视图,正方体与三棱锥的体积公式,属于中档题
.

9
.如图,在直三棱柱
ABCA
1
B
1
C
1
中,
ACBC4

ACBC

CC
1
5

D

E
分别是
AB

B
1
C
1
的中点,则异面直线
BE

CD
所成的角的 余弦值为(





A

3

3
B

1

3
C

58

29
D

387

29
【答案】
C

【解析】

【分析】


A
1
C
1
的中点
F
,连接
DF

EF

CF
,推导出四边形
BDFE
为平行四边 形,可得出
BEDF
,可得出异面直线
BE

CD
所成的角 为
CDF
,通过解
VCDF
,利用余弦定
理可求得异面直线
BE

CD
所成的角的余弦值
.

【详解】
< br>取
A
1
C
1
的中点
F
,连接
DF< br>、
EF

CF
.



易知< br>EF

△A
1
B
1
C
1
的中位线, 所以
EFA
1
B
1

EF
1
A
1
B
1
.

2
1
A
1
B
1
,所以
2

ABA
1
B
1

A BA
1
B
1

D

AB
的中点,所以< br>BDA
1
B
1

BD
EFBD

EFBD
.

所以四边形
BDFE
是平行四边形,所以
D FBE
,所以
CDF
就是异面直线
BE

CD
所 成的角
.

因为
ACBC4

ACBC
,< br>CC
1
5

D

E

F
分别是
AB

B
1
C
1

A
1< br>C
1
的中
点,

所以
C
1
F11
AC2BEB
1
C
1
2

CDA B
.


111
22
4442
,所以
CD
22
由勾股定理得
AB
ACBC44
22
.

AB
42
由勾股定理得
CFCC
1
2
C
1
F
2
5
2
2
2
29

DFBEBB
1
2
B
1
E
2
 5
2
2
2
29
.


VCDF
中,由余弦定理得
cosCDF
故选:
C.

【点睛】

本题考查异面直线所成角的余弦值的计算,一般利用平移直线法找出异面直 线所成的角,
考查计算能力,属于中等题
.


29
< br>2
22

2
29

2
22922

58
.

29






10
.如图,在正三棱柱
ABCA
1
B
1
C
1
中,
AB2
,
AA

D

F
分别是棱
AB

1
23
AA
1
的中点,
E
为棱
AC
上的动点,则
DEF
的周长的最小值为
()


A

222

C

62

【答案】
D

【解析】

【分析】

B

232

D

72

根据正三棱柱的特征可知
ABC
为 等边三角形且
AA
1

平面
ABC
,根据
AA1
AD
可利用
勾股定理求得
DF2
;把底面
ABC
与侧面
ACC
1
A
1
在同一平面展开,可知当
D, E,F

点共线时,
DEEF
取得最小值;在
ADF
中 利用余弦定理可求得最小值,加和得到结

.

【详解】

Q
三棱柱
ABCA
1
B
1
C
1
为正三棱 柱

∴ABC
为等边三角形且
AA
1

平 面
ABC

QAD
平面
ABC

AA
1
AD

DF132

把 底面
ABC
与侧面
ACC
1
A
1
在同一平面展开, 如下图所示:



D,E,F
三点共线时,
DEEF
取得最小值


FAD150
o

AF3

AD1




DEEF

min

3
AFAD2AFADcosFAD423


2


7


22
DEF
周长的最小值为:
72

本题正确选项:
D

【点睛】

本题考查立体几何中三角形 周长最值的求解问题,关键是能够将问题转化为侧面上两点间
最短距离的求解问题,利用侧面展开图可知 三点共线时距离最短
.


11
.在四面体
ABCD
中,
AB

BC

BD
两两垂直,
ABBC BD4

E

F

别为棱
BC

AD
的中点,则直线
EF
与平面
ACD
所成角的余弦值(



A

1

3
B

3

3
C

22

3
D

6

3
【答案】
C

【解析】

【分析】

因为
AB

BC< br>,
BD
两两垂直,以
BA

X
轴,以
BD< br>为
Y
轴,以
BC

Z
轴建立空间直
uuur r
uuurr
r
uuur
EFn
rr
,即可
角坐 标系,求出向量
EF
与平面
ACD
的法向量
n
,再根据cosEF,n
uuu
|EF||n|
得出答案
.

【详解】


因为在四面体
ABCD
中,
AB
BC

BD
两两垂直,


BA

X
轴,以
BD

Y
轴,以
BC

Z
轴建立空间直角坐标系,

又因为
ABBCBD4


A

4,0,0

,B(0,0,0),D(0,4,0),C(0,0,4)

,又因为< br>E

F
分别为棱
BC

AD
的中点

所以
E(0,0,2),F(2,2,0)


uuur
u uuruuur

EF

2,2,2



AD(4,4,0)


AC(4,0,4)
.

v
v
uuu

n
r
AD0
v


设平面
ACD
的法向量为
n(x,y,z)

,则

v
uuu
nAC0


x1,


yz1



所以
n(1,1,1)

r
uuurr
uuurr
EFn21
rr
cosEF,n
uuu


| EF||n|
323
3
设直线
EF
与平面
ACD
所成角为


,则
sin



cosEF,n

所以
cos

1sin
2


故选:
C

【点睛】

本题主要考查线面角,通过向量法即可求出,属于中档题目
.

uuurr
22


3

12
.已知m

l
是两条不同的直线,



是两个不同 的平面,则下列可以推出




是(



A

ml

m

l


C

ml

m


l


【答案】
D

【解析】

【分析】

A
,有可能出现



平行这 种情况
.B
,会出现平面



相交但不垂直的情况
.C
,根据
面面平行的性质定理判断
.D
,根据面面垂直的判定定理判断< br>.

【详解】

对于
A

ml

m


l

,则







相交,故
A
错误;

对于B
,会出现平面



相交但不垂直的情况,故
B错误;

对于
C
,因为
ml

m

,则
l

,由因为
l





,故
C
错误;

对于
D

l 


m∥lm

,又由
m∥

< br>


,故
D
正确
.

故选:
D

【点睛】

本题考查空间中的平行、垂直关系的 判定,还考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力,
属于中档题
.

B

ml


I

l

m


D

l


ml

m


13
.已知
m,l
是两条不同的直线,

,

是两个不同的平面,则下列可以推出



的是




A

ml,m

,l


C

ml,m

,l


【答案】
D

【解析】

【分析】

B< br>.
ml,



l,m


D

l

,ml,m


A
,有可能出现



平行这种情况
.B
,会出 现平面



相交但不垂直的情况
.C
,根据
面面 平行的性质定理判断
.D
,根据面面垂直的判定定理判断
.

【详解】

对于
A

ml

m

,若
l

,则



,故
A
错误;

对于
B
,会出现平面


相交但不垂直的情况,故
B
错误;

对于
C
,因为ml

m

,则
l

,又因为
l 





,故
C
错误;
< br>对于
D

l


m∥lm

,又由
m∥





,故
D
正 确
.

故选:
D

【点睛】

本题考查空 间中的平行、垂直关系的判定,还考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力,
属于中档题
.

14
.如下图,在正方体
ABCDA
1
B
1
C
1
D
1
中,点
E、F
分别为棱
BB
1

CC
1
的中点,点
O
为上底面的中心,过E、F、O
三点的平面把正方体分为两部分,其中含
A
1
的部分为
V
1

不含
A
1
的部分为
V
2
,连接
A
1

V
2
的任一点
M
,设
A
1
M
与平面
A
1
B
1
C
1< br>D
1
所成角为

,则
sin

的最大值为(

).


A

2

2
B

25

5
C

26

5
D

26

6
【答案】
B

【解析】

【分析】

连接
EF
,可证平行四边形
EFGH
为截面,由题意可找到
A
1
M
与平面
A< br>1
B
1
C
1
D
1
所成的角,
进而得 到
sinα
的最大值
.

【详解】

连接
EF
,因为
EF

ABCD,
所以过
EFO
的平面 与平面
ABCD
的交线一定是过点
O
且与
EF

行 的直线,过点
O

GHBC

CD
于点
G,

AB

H
点,则
GHEF,
连接
EH

FG,
则平行四
边形
EFGH
为截面,则五棱柱
A
1
B
1
EHAD
1
C
1
FGD
V
1
,三棱柱
EBH-FCG

V
2
,设M


V
2
的任一点,过
M
点作底面
A
1
B
1
C
1
D
1
的垂线,垂足为
N
,连接
A
1
N
,


MA
1
N
即为


A
1
M
与平面
A
1
B
1
C
1
D
1
所成的角,所以

MA
1
N

,因为
sinα=
MN
,
要 使
α
的正弦最大,
A
1
M
必须
MN
最大,
A
1
M
最小,当点
M
与点
H
重合时符合题 意,故
sinα
的最大值为
MNHN
25
=
=,

A
1
MA
1
H
5
故选
B


【点睛】

本题考查空间中的平行关系与平面公理的应用,考查线面角的求法,属于中档题
.


15
.我国南北朝时期数学家祖暅,提出了著名的祖暅原理:

缘 幂势既同,则积不容异






是截面积,< br>“


是几何体的高,意思是两等高几何体,若在每一等高处的截面积
都相等,则两几何体体积相等.已知某不规则几何体与右侧三视图所对应的几何体满足

势既同

,其中俯视图中的圆弧为
1
圆周,则该不规则几何体的体积为(



4

A

1


2
B

1



36
C

12

D

12



33
【答案】
B

【解析】

【分析】

根据三视图知该几何体是三棱锥与
体积即可.

【详解】

解:根据三视图知,该几何体是三棱锥与
1
圆锥体的所得组合体,结合图中数据计算该组合体的
4
1
圆锥体的组合体,

4


如图所示;

则该组合体的体积为
V
1 1111

112

1
2
2


323436
1




36
所以对应不规则几何体的体积为
故选
B



【点睛】

本题考查了简单组合体的体积计算问题,也考查了三视图转化为几何体直观 图的应用问
题,是基础题.


16
.已知正三棱柱
ABC A
1
B
1
C
1
的所有棱长都相等,
D

A
1
B
1
的中点,则
AD
与平面
BCC< br>1
B
1
所成角的正弦值为(



A

5

5
B

25

5
C

10

10
D

15

10
【答案】
D

【解析】

【分析】

先找出直线
AD
与平面BCC
1
B
1
所成角,然后在
VB
1
EF中,求出
sinEB
1
F
,即可得到本
题答案
.
【详解】


如图,取
AB
中点
E
,作
EFBC

F


连接
B
1
E,B
1
F
,则
EB
1
F
即为
AD< br>与平面
BCC
1
B
1
所成角
.

不妨设棱长为
4
,则
BF1,BE2


EF3,B
1
E25

sinEB
1
F
315
.


25
10


故选:
D

【点睛】

本题主要考查直线与平面所成角的求法,找出线面所成角是解决此类题目的关键
.


17
.圆锥
SD
(其中
S
为顶点,
D< br>为底面圆心)的侧面积与底面积的比是
2:1
,则圆锥
SD
与它外接球 (即顶点在球面上且底面圆周也在球面上)的体积比为(



A

9:32
B

8:27
C

9:22
D

9:28

【答案】
A

【解析】

【分析】

根据 已知条件求得圆锥母线与底面圆半径
r
的关系,从而得到圆锥的高与
r
关系, 计算圆
锥体积,由截面图得到外接球的半径
R

r
间的关系,计算球 的体积,作比即可得到答案
.

【详解】

设圆锥底面圆的半径为< br>r,
圆锥母线长为
l
,则侧面积为
πrl


侧面积与底面积的比为
则圆锥的体积为
πrl
l
2
,
则母线
l=2r,
圆锥的高为
h=
l
2
r
23r
,

2

rr
1
2
3
3
π
r
h


r
,

33
设外接球的球心为
O,
半径为
R,
截面图如图,则
OB=OS=R ,OD=h-R=
3rR
,BD=r,

在直角三角形
BOD中,由勾股定理得
OB
2
OD
2
BD
2
,

R
2
r
2


3rR
,< br>

2
2
448
3
32

r
3
3
r,
所以外接球的体积为

R

r< br>,

展开整理得
R=
3
33
3393
33

r
9
3

故所求体积比为

32

r
3
32
93
故选:
A


【点睛】

本题考查圆锥与球的体积公式的应用,考查学生计算能力,属于中档题
.


18
.在正四面体
ABCD
中,
P

AB
的中点,
Q
是直线
BD
上的动点,则直线
PQ

AC
所成角可能为(



A


12
B



4
C

5


12
D



2
【答案】
C

【解析】

【分析】

根据题意,取
BC
的中点< br>M
,连接
MQ
,则
ACMQ
,所以
QPM
为异面直线
PQ

AC
所成角,在利用余弦定理可得
MQ4x< br>2
2x
,易知
PQMQ
,所以在等腰三
角形
PM Q

cosQPM
1
4x2x
2

0x4

,即可求出

33

cosQPM< br>



进而求出结果
.

123

【详解】


BC
的中点
M< br>,连接
MQ
,则
ACMQ
,所以
QPM
为异面直线
PQ

AC
所成
角,如下图所示:


设 正四面体
ABCD
的棱长为
4

BQx,

0 x4




BMQ
中,
MQBMBQ 2BMBQcos604x2x


在正四面体
ABCD
中,易知
PQMQ


所 以在等腰三角形
PMQ
中,
cosQPM
2222
1
4 x2x
2


0x4




33

5

cosQPM
.
所以所以异面直线
PQ

AC
所成角可能为




123
12

故选:
C.

【点睛】

本题主要考查了异面直线成角,余弦定理的应用,考查了空间几何中的动态 问题,考查学
生的应用能力和空间想象能力,属于中档题
.


19
.如图,在正方体
ABCDA
1
B
1
C
1
D
1

中,
E,F

分别为
B
1
C,C
1
D
1

的中点,点
P

是底面


A
1
B1
C
1
D
1
内一点,且
AP

平面
EFDB

,则
tanAPA
1

的最大值是
( )


A

2

【答案】
C

【解析】

B

2 C

22
D

32

PM
,从而分析: 连结
AC

BD
,交于点
O
,连结
A
1< br>C
1
,交
EF

M
,连结
OM
,则
AO
P

A
1
P=C
1
M
,由此 能求出
tan

APA
1
的最大值.

详解:连结
AC

BD
,交于点
O
,连结
A
1
C
1
,交
EF

M
,连结
OM



设正方形
ABCD

A
1
B
1C
1
D
1
中棱长为
1


∵在正方形
ABCD

A
1
B
1
C
1
D1
中,
E

F
分别为
B
1
C
1

C
1
D
1
的中点,


P< br>是底面
A
1
B
1
C
1
D
1
内一点,且
AP
∥平面
EFDB


PM
,∴A
1
P=C
1
M=

AO
P

AC2



44
AA
1
tanAPA==∴∠
1
A
1
P
1
2
=2
2


4

tan

APA
1
的最大值是2
2


故选
D


点睛:本题考查 角的正切值的最大值的求法,考查空间中线线、线面、面面间的位置关系
等基础知识,考查空间想象能力 ,考查运算求解能力,是中档题.


20
.设

,

是两个不同的平面,
l,m
是两条不同的直线,且
l


m

,则(



A
.若



,则
lm

C
.若
m

,则




【答案】
C

【解析】

【分析】

B
.若
ma
,则




D
.若



,则
lm


根据空间线线、线面、面面的位置关系,对选项进行逐一判断可得答案
.

【详解】

A.




,则l

m
可能平行,可能异面,所以
A
不正确
.

B.

ma
,则



可能平行,可能 相交,所以
B
不正确
.

C.

m

,由
m

,根据面面垂直的判定定理可得



,所以
C
正确
.

D



,且
l


m

,则
l

m
可能平行,可能异面,可能相交
,
所以
D
不正

.

【点睛】

本 题考查空间线线、线面、面面的位置判断定理和性质定理,考查空间想象能力,属于基
础题
.< br>

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