| 1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选择性必修一

第一章 空间向量与立体几何

1.4 空间向量的应用

1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系

如图,圆柱$OO_{1}$的底面半径和母线长均为$3$$AB$是底面直径,点$C$在圆$O$上且$OC\perp AB$,点$E$在母线$BD$上,$BE=2$,点$F$是上底面的一个动点,则$(\qquad)$

["

存在唯一的点$F$,使得$AF+FE=2\\sqrt{13}$

","

$AE\\perp CF$,则点$F$的轨迹长为$4$

","

$AF\\perp FE$,则四面体$ACEF$的外接球的表面积为$40\\pi$

","

$AF\\perp FE$,则点$F$的轨迹长为$2\\sqrt{6}\\pi$

"]
[["ACD"]]

$E$关于$D$点的对称点为$E'$,如图,

$AF+EF=AF+FE'\geqslant AE'=\sqrt{A{B^2}+B{{E'}^2}}=\sqrt{{6^2}+{4^2}}=2\sqrt{13}$

$\therefore AF+FE\geqslant 2\sqrt{13}$,当且仅当$A$$F$$E'$三点共线时取等号,

故存在唯一的点$F$,使得$AF+FE=2\sqrt{13}$,故$\rm A$正确;

由题意知$OC\perp AB$$OO_{1}\perp OC$$OO_{1}\perp AB$

$O$为坐标原点,以$OC$$OB$$OO_{1}$$x$$y$$z$轴的正方向,建建系如图,

$A(0,-3,0)$$C(3,0,0)$$E(0,3,2)$,设$F(x,y,3)$

$\overrightarrow{AE}=(0,6,2)$$\overrightarrow{CF}=(x-3,y,3)$$\overrightarrow{AF}=(x,y+3,3)$$\overrightarrow{FE}=(x,y-3,1)$

对选项$\rm B$:当$AE\perp CF$时,$\overrightarrow{AE}\cdot \overrightarrow{CF}=6y+6=0$

$\therefore y=-1$

$\therefore $$F$的轨迹长为上底面圆$O_{1}$的一条弦$MN$$O_{1}$$MN$的距离为$1$

$\therefore MN=2\sqrt{{3^2}-1}=4\sqrt{2}$,故点$F$的轨迹长为$4\sqrt{2}$

$\therefore \rm B$错误;

对选项$\rm D$:当$AF\perp FE$时,$\overrightarrow{AF}\cdot \overrightarrow{FE}=(x,y+3,3)\cdot (x,y-3,1)=0$

$\therefore x^{2}+y^{2}=6$

$\therefore $$F$的轨迹是以$O_{1}$为圆心,$\sqrt{6}$为半径的圆,其轨迹长为$2\sqrt{6}\pi$,故$\rm D$正确;

对选项$\rm C$:在$\triangle ACE$中,$AC=3\sqrt{2}$$CE=\sqrt{{{(3\sqrt{2})}^2}+{2^2}}=\sqrt{22}$$AE=\sqrt{{6^2}+{2^2}}=\sqrt{40}$

$\therefore AC^{2}+CE^{2}=AE^{2}$

$\therefore \triangle ACE$为直角三角形,其外心为$AE$$OO_{1}$的交点$Q$,且$OQ=1$$QE=\sqrt{10}$

$QF=\sqrt{Q{ O}_1^2+{O_1}{F^2}}=\sqrt{{2^2}+6}=\sqrt{10}$

$\therefore QF=QE=QC=QA$

$\therefore Q$为四面体$ACEF$的外接球的球心,球半径为$\sqrt{10}$

$\therefore $ 球的表面积为$40\pi$,故$\rm C$正确.

故选:$\rm ACD$

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