稿件来源:高途
| 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如下,仅供参考!
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$AF+FE=2\\sqrt{13}$
","若$AE\\perp CF$,则点$F$的轨迹长为$4$
","若$AF\\perp FE$,则四面体$ACEF$的外接球的表面积为$40\\pi$
","若$AF\\perp FE$,则点$F$的轨迹长为$2\\sqrt{6}\\pi$
"]设$E$关于$D$点的对称点为$E'$,如图,
则$AF+EF=AF+FE'\geqslant AE'=\sqrt{A{B^2}+B{{E'}^2}}=\sqrt{{6^2}+{4^2}}=2\sqrt{13}$,
$\therefore AF+FE\geqslant 2\sqrt{13}$,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$OC\perp AB$,$OO_{1}\perp OC$,$OO_{1}\perp AB$,
以$O$为坐标原点,以$OC$,$OB$,$OO_{1}$为$x$,$y$,$z$轴的正方向,建建系如图,
则$A(0,-3,0)$,$C(3,0,0)$,$E(0,3,2)$,设$F(x,y,3)$,
则$\overrightarrow{AE}=(0,6,2)$,$\overrightarrow{CF}=(x-3,y,3)$,$\overrightarrow{AF}=(x,y+3,3)$,$\overrightarrow{FE}=(x,y-3,1)$,
对选项$\rm B$:当$AE\perp CF$时,$\overrightarrow{AE}\cdot \overrightarrow{CF}=6y+6=0$,
$\therefore y=-1$,
$\therefore $ 点$F$的轨迹长为上底面圆$O_{1}$的一条弦$MN$,$O_{1}$到$MN$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 $ 点$F$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$AE$与$OO_{1}$的交点$Q$,且$OQ=1$,$QE=\sqrt{10}$,
而$QF=\sqrt{Q{ O}_1^2+{O_1}{F^2}}=\sqrt{{2^2}+6}=\sqrt{10}$,
$\therefore QF=QE=QC=QA$,
$\therefore Q$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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