高中数学人教B版 (2019)选择性必修 第一册1.2.5 空间中的距离课时练习

这是一份高中数学人教B版 (2019)选择性必修 第一册1.2.5 空间中的距离课时练习，共94页。试卷主要包含了两点间距离A，，公式，设平面ABC法向量为m=，等内容，欢迎下载使用。

知识点01 两点间的距离
1.两点间距离A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），
|AB|=(x1-x2）2+（y1-y2）2+（z1-z2）2
2用向量表示 两点间距离BA=(x1-x2,y1-y2,z1-z2),|AB|=(x1-x2）2+（y1-y2）2+（z1-z2）2
【即学即练1】（2024高二下·江苏·学业考试）已知点A(1,2,-3),B(-1,0,1)，则AB=（ ）
A．32B．26C．23D．4
【答案】B
【分析】根据两点间距离公式计算即可.
【详解】由已知点的坐标应用两点间距离公式可得AB→=1+12+2-02+-3-12=24=26.
故选：B.
【即学即练2】（23-24高二上·宁夏·阶段练习）如图，已知线段AB,BD在平面α内，BD⊥AB,AC⊥α，且AB=4,BD=3,AC=5，则CD= .

【答案】52
【分析】根据空间向量的线性表示，结合模长公式，即可求解.
【详解】由于AC⊥α，AB,BD在平面α内，所以AC⊥AB,AC⊥BD,又BD⊥AB,
所以AC⋅AB=0,AC⋅BD=0,BD⋅AB=0,
由于CD=CA+AB+BD,所以CD2=CA2+AB2+BD2+2CA⋅AB+2AB⋅BD+2CA⋅BD=25+16+9=50,
所以CD=52，
故答案为：52
知识点02 点到直线的距离
定义：若P为直线l外一点，A是l上任意一点，在点P和直线l所确定的平面内，取一个与直线l垂直的向量n，则点P到直线l的距离为d==|PQ|=|AP|2-|AQ|2=|AP|2-|AP∙e|e||2
设e是直线l的方向向量，则点P到直线l的距离为d=|AP|sin
【即学即练3】（23-24高二上·湖北孝感·期末）已知空间向量AB=0,1,0，AC=-1,1-1，则B点到直线AC的距离为（ ）
A．63B．33C．2D．3
【答案】A
【分析】利用点到直线的空间向量距离公式求出答案.
【详解】AB=0,1,0，AC=-1,1-1，故AB→在AC→上的投影向量的模为d=AB⋅ACAC=0,1,0⋅-1,1-11+1+1=13，
故B点到直线AC的距离为AB2-d2=1-13=63.
故选：A
【即学即练4】（23-24高二上·福建福州·期末）已知向量OA=(0,1,1),OB=(-2,1,2)，则点A到直线OB的距离为 ．
【答案】1
【分析】根据点到直线距离公式求出答案.
【详解】OA在OB方向上投影向量的模为d=|OA⋅OB|OB=1，
所以点A到直线OB的距离OA2-d2=OA2-12=1．
故答案为：1
知识点03 点到平面的距离
定义：若P是平面α外一点，PQ⊥α，垂足为Q，A 为平面α内任意一点，设n为平面α的法向量，点P到平面α的距离d=|AP∙n||n|
【即学即练5】（17-18高二上·陕西·期中）已知平面α的一个法向量n=-2,-2,1，点A-1,3,0在平面α内，则点P-2,1,4到平面α的距离为（ ）
A．10B．3C．103D．83
【答案】C
【分析】利用向量法求点到平面的距离公式即可求解.
【详解】由题得PA=1,2,-4，
所以P-2,1,4到平面α的距离为n⋅PAn=-2-4-44+4+1=103，
故选：C.
【即学即练6】（23-24高二下·江苏·单元测试）已知平面α经过点B1,0,0，且α的法向量n=1,1,1，则P2,2,0到平面α的距离为 .
【答案】3
【分析】根据点到面距离空间向量公式进行求解即可.
【详解】因为BP=1,2,0，n=1,1,1，
所以P2,2,0到平面α的距离d=n⋅BPn=1+21+1+1=3，
故答案为：3
知识点04 线面间的距离
1.定义：当直线与平面平行时，直线上任意一点到平面的距离称为这条直线与这个平面之间的距离，
2.公式：如果直线l与平面α平行，n是平面α的一个法向量，A、B分别是l上和α内的点，则直线l与平面α之间的距离为d＝eq \f(|\(BA,\s\up7(→))·n|,|n|)．
【即学即练7】（23-24高二上·湖南邵阳·阶段练习）在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E,F分别是BC,CD的中点，则直线BD到平面EFD1B1的距离为（ ）
A．36B．12C．24D．13
【答案】D
【分析】建立空间直角坐标系，利用空间向量求解即可.
【详解】如图建立空间直角坐标系，则D(0,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),E(12,1,0),F0,12,0，B1(1,1,1),D10,0,1，
所以EB=(12,0,0),B1D1=(-1,-1,0),B1E=(-12,0,-1),
设平面EFD1B1的法向量为n=(x,y,z)，则
n⋅B1D1=-x-y=0n⋅B1E=-12x-z=0，令z=1，则n=(-2,2,1)，
因为BD//B1D1，BD⊄平面EFD1B1，B1D1⊂平面EFD1B1，
所以BD//平面EFD1B1，所以直线BD到平面EFD1B1的距离即为点B到平面EFD1B1的距离，
所以直线BD到平面EFD1B1的距离为d=EB⋅nn=12×-222+22+1=13 .
故选：D.

【即学即练8】（23-24高二上·山东淄博·阶段练习）在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E为线段A1B1的中点，F为线段AB的中点．
(1)求直线EC与AC1所成角的余弦值；
(2)求直线FC到平面AEC1的距离．
【答案】(1)39
(2)66
【分析】（1）以D1为原点，D1A1,D1C1,D1D所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，进而根据向量夹角公式计算即可；
（2）利用向量法求线面距离作答即可.
【详解】（1）在正方体ABCD-A1B1C1D1中，以D1为原点，D1A1,D1C1,D1D所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，
则A1,0,1，C0,1,1，C10,1,0，E(1,12,0)，F(1,12,1)，
所以AC1=-1,1,-1，EC=-1,12,1，
所以直线EC与AC1所成角的余弦值为csAC1,EC=AC1⋅ECAC1⋅EC=123⋅94=39.
（2）由（1）知，AE=0,12,-1，EC1=-1,12,0，AF=0,12,0，FC=-1,12,0，
显然FC=EC1=-1,12,0，所以FC//EC1，
而FC⊄平面AEC1，EC1⊂平面AEC1，于是FC//平面AEC1，
因此直线FC到平面AEC1的距离等于点F到平面AEC1的距离，
设平面AEC1的法向量为n=x,y,z，
则n⋅AE=12y-z=0n⋅EC1=-x+12y=0，令z=1，得n=1,2,1，
所以点F到平面AEC1的距离为AF⋅nn=16=66，
所以直线FC到平面AEC1的距离是66.
知识点05 面面间的距离
1.定义：当平面与平面平行时，一个平面内任意一点到另一个平面的距离称为这两个平行平面之间的距离．
2.公垂线段：一般地，与两个平行平面同时垂直的直线，称为这两个平面的 公垂线，公垂线夹在平行平面间的部分，称为这两个平面的公垂线段．显然，两个平行平面之间的距离也等于它们的公垂线段的长.
3.公式：如果平面α与平面β平行，n是平面β的一个法向量，A和B分别是平面α和平面β内的点，则平面α和平面β之间的距离为d＝eq \f(|\(BA,\s\up7(→))·n|,|n|)．
【即学即练9】（22-23高二·全国·随堂练习）已知正方体ABCD-A'B'C'D'的棱长均为1．
(1)求B'到平面A'C'B的距离；
(2)求平面A'C'B与平面D'AC之间的距离．
【答案】(1)33
(2)33
【分析】（1）建立空间直角坐标系，求出平面A'C'B的法向量，从而利用点到平面距离的公式进行求解；
（2）求出平面D'AC的法向量，得到平面A'C'B与平面D'AC平行，从而转化为点到平面距离，利用公式进行求解即可.
【详解】（1）以D为坐标原点，DA,DC,DD'所在直线分别为x,y,z轴，建立空间直角坐标系，
则A'1,0,1,B'1,1,1,C'0,1,1,B1,1,0，
设平面A'C'B的法向量为m=x,y,z，
则m⋅A'B=x,y,z⋅0,1,-1=y-z=0m⋅C'B=x,y,z⋅1,0,-1=x-z=0，
令x=1，则y=z=1，
故平面A'C'B的法向量为m=1,1,1，
则B'到平面A'C'B的距离为d=B'B⋅mm=0,0,-1⋅1,1,11+1+1=13=33；
（2）则A1,0,0,C0,1,0,D'0,0,1，
设平面D'AC的法向量为n=a,b,c，
则n⋅D'A=a,b,c⋅1,0,-1=a-c=0n⋅D'C=a,b,c⋅0,1,-1=b-c=0，
令a=1，则b=c=1，
故平面A'C'B的法向量为n=1,1,1，
由于m=n，故平面A'C'B与平面D'AC平行，
则平面D'AC上任意一点到平面A'C'B的距离即为平面A'C'B与平面D'AC之间的距离，
不妨求点D'到平面A'C'B的距离，
h=D'B⋅mm=1,1,-1⋅1,1,11+1+1=13=33
故平面A'C'B与平面D'AC之间的距离为33.
【即学即练10】（2022高二·全国·专题练习）设正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2，求：
(1)求直线B1C到平面A1BD的距离；
(2)求平面A1BD与平面B1CD1间的距离.
【答案】(1)233
(2)233
【分析】（1）直线B1C到平面A1BD的距离等于点B1到平面A1BD的距离，利用向量求解可得；
（2）平面A1BD与平面B1CD1间的距离等于点B1到平面A1BD的距离，利用向量法求解即可．
【详解】（1）以D为原点，DA,DC,DD1为x，y，z轴，建立如图所示空间直角坐标系，
则D0,0,0，B2,2,0，A12,0,2，B12,2,2，C0,2,0，
所以CB1=2,0,2,DA1=2,0,2,DB=2,2,0，所以CB1∥DA1，即CB1∥DA1，
又CB1⊄平面A1BD，DA1⊂平面A1BD，所以CB1//平面A1BD，
所以直线B1C到平面A1BD的距离等于点B1到平面A1BD的距离．
设平面A1BD的一个法向量为n=x,y,z，
则n⋅DA1=2x+2z=0n⋅DB=2x+2y=0，令x=1，则n=1,-1,-1，又A1B1=0,2,0，
所以点B1到平面A1BD的距离d=A1B1⋅nn=23=233.

（2）由（1）知CB1//平面A1BD，同理，D1B1//平面A1BD，
又B1C∩D1B1＝B1，B1C,D1B1⊂平面B1CD1，
所以平面A1BD//平面B1CD1，
即平面A1BD与平面B1CD1间的距离等于点B1到平面A1BD的距离．
由（1）知，点B1到平面A1BD的距离d=A1B1⋅nn=23=233.
所以平面A1BD与平面B1CD1间的距离为233.
难点：建系有难度问题
示例1：（2023·福建龙岩·统考二模）三棱柱ABC-A1B1C1中，AB⊥AC，AB=AC=2，侧面A1ACC1为矩形，∠A1AB=2π3，三棱锥C1-ABC的体积为233．
(1)求侧棱AA1的长；
(2)侧棱CC1上是否存在点E，使得直线AE与平面A1BC所成角的正弦值为55？若存在，求出线段C1E的长；若不存在，请说明理由．

【答案】(1)AA1=2
(2)C1E=2
【分析】（1）证明AD⊥平面ABC，结合题目条件，先计算出AD的值，然后即可以求得侧棱AA1的长；
（2）建立空间直角坐标系，设未知数λ，结合题目条件，列出方程求解，即可得到本题答案.
【详解】（1）在平面AA1B1B内过A作AD⊥A1B1，垂足为D，
因为侧面A1ACC1为矩形，所以CA⊥AA1，
又CA⊥AB，AB∩AA1=A，AB,AA1⊂平面AA1B1B，
所以CA⊥平面AA1B1B，
又CA⊂平面ABC，所以平面AA1B1B⊥平面ABC，
易得AD⊥AB，AD⊂面AA1B1B，平面AA1B1B∩平面ABC=AB，
所以AD⊥平面ABC，
因为VC1-ABC=13S△ABC⋅AD=13×12×2×2AD=233，所以AD=3，
因为∠A1AB=2π3，∠A1AD=π6，所以AA1=2；
（2）存在点E满足题意，C1E=2，理由如下：
如图，以A为坐标原点，以AB,AC,AD所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，

则A1(-1,0,3),B(2,0,0),C(0,2,0),C1(-1,2,3)，
设C1E=λC1C,λ∈[0,1]，则E(λ-1,2,3-3λ)，
故AE=(λ-1,2,3-3λ)，A1B=(3,0,-3)，A1C=(1,2,-3)
设平面A1BC的法向量为m=(x,y,z)
则m⋅A1B=0m⋅A1C=0即3x-3z=0x+2y-3z=0，令z=3，则x=y=1，
故平面A1BC的一个法向量m=(1,1,3)，
设直线AE与平面A1BC所成角为θ，
则sinθ=AE⋅mAE⋅m=2-λλ2-2λ+2⋅5=55，解得λ=1，
故存在点E满足题意，所以C1E=2.
难点：几何的应用
示例2：（2023·四川成都·校联考二模）如图，平面ABCD⊥平面ABS，四边形ABCD为矩形，△ABS为正三角形，SA=2BC，O为AB的中点.

(1)证明：平面SOC⊥平面BDS；
(2)已知四棱锥S-AOCD的体积为62，求点D到平面SOC的距离.
【答案】(1)证明见详解
(2)263
【分析】（1）利用平面几何知识结合已知条件可以证明BD⊥CO，再利用面面垂直的性质进一步证明BD⊥SO，
结合线面垂直、面面垂直的判定定理即得证.
（2）不妨设BD∩CO=E，则点D到平面SOC的距离即为DE的长度，结合附加条件四棱锥S-AOCD的体积为62可以求得所有棱长，最终利用平面几何知识即可求解.
【详解】（1）一方面：因为△ABS为正三角形且O为AB的中点，所以OS⊥AB（三线合一），
又因为平面ABCD⊥平面ABS且平面ABCD∩平面ABS=AB，并注意到OS⊂平面ABS，
所以由面面垂直的性质可知OS⊥平面ABCD，
又因为BD⊂平面ABCD，
所以由线面垂直的性质可知OS⊥BD；
另一方面：由题意不妨设BC=AD=a，则CD=AB=AS=BS=2a，
因为△ABS为正三角形且O为AB的中点，所以OB=OA=a2，SO=BS⋅csπ6=2a×32=62a，
所以tan∠ABD=ADAB=a2a=22，且tan∠BCO=BOCB=22aa=22，注意到∠ABD与∠BCO均为锐角，
所以∠ABD=∠BCO，不妨设BD∩CO=E，

因为∠CBE+∠BCE=∠CBE+∠ABD=∠CBA=π2，
所以∠BEC=π2，即BD⊥CO.
综合以上两方面有BD⊥OS且BD⊥CO，
注意到OS∩OC=O，OS⊂平面SOC，OC⊂平面SOC，
所有由线面垂直的判定有BD⊥平面SOC，
又因为BD⊂平面BDS，所以平面SOC⊥平面BDS.
（2）由（1）可知BD⊥平面SOC，则点D到平面SOC的距离即为DE的长度，
一方面梯形AOCD的面积为S1=12⋅OA+CD⋅AD=12×22a+2a×a=324a2，h=SO=62a，
所以有四棱锥S-AOCD的体积为V=13⋅S1⋅h=13×324a2×62a=34a3，
另一方面由题可知四棱锥S-AOCD的体积为V=62，
结合以上两方面有34a3=62，解得a=2，
因为CD∥AB，所以∠CDE=∠ABD，由（1）可知tan∠ABD=22，
所以tan∠CDE=22，所以cs∠CDE=63，
所以DE=CD⋅cs∠CDE=2×2×63=263.
【题型1：两点间的距离】
例1．（22-23高二上·山西运城·期中）如图，在三棱柱ABC-A1B1C1中，底面△ABC是边长为23的正三角形，AA1=7，顶点A1在底面的射影为底面正三角形的中心，P，Q分别是异面直线AC1,A1B上的动点，则P，Q两点间距离的最小值是（ ）
A．72B．2C．6D．62
【答案】D
【分析】设O是底面正△ABC的中心，A1O⊥平面ABC，CO⊥AB，以直线CO为x轴，OA1为z轴，过O平行于AB的直线为y轴建立空间直角坐标系，P，Q两点间距离的最小值即为异面直线AC1与A1B间的距离用空间向量法求异面直线的距离．
【详解】如图，O是底面正△ABC的中心，A1O⊥平面ABC，AO⊂平面ABC，则A1O⊥AO，
AB=23，则AO=23×32×23=2，又AA1=7，A1O=AA12-AO2=3，
CO⊥AB，直线CO交AB于点D，OD=1，
以直线CO为x轴，OA1为z轴，过O平行于AB的直线为y轴建立空间直角坐标系，如图，
则A1(0,0,3)，A(1,-3,0)，B(1,3,0)，C(-2,0,0)，
AA1=(-1,3,3)，AC=(-3,3,0)，A1B=(1,3,-3)，
AC1=AA1+AC=(-4,23,3)，
设n=(x,y,z)与A1B和AC1都垂直，
则n⋅AC1=-4x+23y+3z=0n⋅A1B=x+3y-3z=0，取x=3，则y=1,z=2，n=(3,1,2)，
P，Q两点间距离的最小值即为异面直线AC1与A1B间的距离等于n⋅AA1n=-3+3+233+1+4=62．
故选：D．
变式1. （21-22高二上·安徽合肥·期中）如图正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，AB=BC=1，AA1=2.动点P，Q分别在线段C1D，AC上，则线段PQ长度的最小值是（ ）
A．13B．23
C．1D．43
【答案】B
【分析】以点D为坐标原点，DA、DC、DD1所在直线分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系，利用空间向量法计算出异面直线C1D、AC的公垂线的长度，即为所求.
【详解】由题意可知，线段PQ长度的最小值为异面直线C1D、AC的公垂线的长度.
如下图所示，以点D为坐标原点，DA、DC、DD1所在直线分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系，
则点A1,0,0、C0,1,0、C10,1,2、D0,0,0，
所以，AC=-1,1,0，DC1=0,1,2，DA=1,0,0，
设向量n=x,y,z满足n⊥AC，n⊥DC1，
由题意可得n⋅AC=-x+y=0n⋅DC1=y+2z=0，解得x=yz=-y2，取y=2，则x=2，z=-1，
可得n=2,2,-1，
因此，PQmin=DA⋅nn=23.
故选：B.
变式2. （22-23高二上·浙江杭州·期中）两条异面直线a，b所成的角为π3，在直线a，b上分别取点A'，E和A，F，使A'A⊥a，且A'A⊥b已知A'E=3,AF=4,EF=7，则线段AA'的长为 ．
【答案】23或6
【分析】利用空间向量线性运算得到EF=EA'+A'A+AF，结合空间向量数量积的运算法则及模的运算即可得解，注意EA',AF的夹角有两种情况.
【详解】由题意，得EF=EA'+A'A+AF，
所以EF2=EA'2+A'A2+AF2+2EA'⋅A'A+2EA'⋅AF+2A'A⋅AF，
因为A'E=3,AF=4,EF=7，所以EF2=EF2=49，EA'2=9,AF2=16，
因为A'A⊥a，所以A'A⊥A'E，则EA'⋅A'A=0，同理：A'A⋅AF=0，
因为异面直线a，b所成的角为π3，
当EA',AF的夹角为π3时，EA'⋅AF=EA'AFcsπ3=3×4×12=6，
所以49=9+A'A2+16+0+2×6+0，则A'A2=12，即A'A2=12，故A'A=23；
当EA',AF的夹角为2π3时，EA'⋅AF=EA'AFcs2π3=3×4×-12=-6，
所以49=9+A'A2+16+0+2×-6+0，则A'A2=36，故A'A=6；
综上：线段AA'的长为23或6.
故答案为：23或6.
.
变式3. （22-23高二上·辽宁沈阳·开学考试）正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，底面边长为1，侧棱长为2,P,Q分别是异面直线AD1和BD上的任意一点，则P,Q间距离的最小值为 .
【答案】23
【分析】利用空间向量法求出异面直线AD1和BD的距离，即可得解.
【详解】解：如图建立空间直角坐标系，则D10,0,0、A1,0,2，D0,0,2，B1,1,2，
所以D1A=1,0,2，DB=1,1,0，DA=1,0,0，
设n=x,y,z且n⋅D1A=0n⋅DB=0，即x+2z=0x+y=0，令z=1，则x=-2，y=2，所以n=-2,2,1，
所以异面直线AD1和BD的距离d=n⋅DAn=23，
所以P、Q间距离的最小值为23；
故答案为：23
变式4. （21-22高二上·江苏镇江·期中）已知在边长为6的正方体ABCD-A1B1C1D1中，点M,N分别为线段A1D和BD1上的动点，当D1ND1B= 时，线段MN取得最小值 .
【答案】 13 6
【分析】根据题意，设D1ND1B=λ,λ∈0,1，线段MN取得最小值，此时满足MN⊥A1D,MN⊥BD1，再根据向量法求解即可.
【详解】解： 如图，建立空间直角坐标系，则A16,0,6，D10,0,6，B6,6,0，
Mx,0,x0≤x≤6，
设D1ND1B=λ,λ∈0,1，线段MN取得最小值，此时满足MN⊥A1D,MN⊥BD1.
所以DA1=6,0,6,BD1=-6,-6,6，
MN=MD1+D1N=MD1+λD1B=-x,0,6-x+λ6,6,-6=6λ-x,6λ,6-6λ-x，
所以MN⋅DA1=0,MN⋅BD1=0，即36-108λ=036-12x=0，解得x=3,λ=13，
此时MN=-1,2,1
所以当D1ND1B=13时，线段MN取得最小值，最小值为MN=6
故答案为：13；6.
变式5. （20-21高二·全国·单元测试）已知A0,0,2，B1,1,0，点P在x轴上，点Q在直线AB上，则线段PQ长的最小值为 ．
【答案】255##255
【分析】如图将点放在棱长为2的正方体中，建系如图，取D2,0,0，根据题意求异面直线OD和AB之间的距离即可，先求OD和AB的公垂线的方向向量n=x,y,z，再利用公式计算OB⋅nn即可求解.
【详解】如图：在棱长为2的正方体中，以O为原点，建系如图：
则O0,0,0，D2,0,0，A0,0,2，B1,1,0，
所以OD=2,0,0，AB=1,1,-2，
因为点P在x轴上，点Q在直线AB上，
求线段PQ长的最小值也即是求异面直线OD和AB之间的距离，
设直线OD和AB的公垂线的方向向量n=x,y,z，
由n⋅OD=2x=0n⋅AB=x+y-2z=0 可得：x=0，令y=2，则z=1，
所以n=0,2,1，
因为OB=1,1,0，
所以异面直线OD和AB之间的距离为
OB⋅csOB⋅n=OB⋅OB⋅nOB⋅n=OB⋅nn=25=255，
即线段PQ长的最小值为255，
故答案为：255.
变式6. （2021高二上·全国·专题练习）在如图所示的实验装置中，正方形框架的边长都是1，且平面ABCD⊥平面ABEF，活动弹子M,N分别在正方形对角线AC,BF上移动，若CM=BN，则MN长度的最小值为 ．
【答案】33
【分析】MN的最小值即为两条异面直线AC,BF间的距离d，以B为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系，设异面直线AC、BF的公垂向量为n=x,y,z，由距离公式d=AB⋅nn可求得答案.
【详解】∵M,N分别是异面直线AC、BF上的点，∴MN的最小值即为两条异面直线AC,BF间的距离d，
∵平面ABCD ⊥平面ABEF，AB⊥BC，平面ABCD∩平面ABEF=AB，∴BC⊥平面ABEF，
又AB⊥BE，∴AB,BE,BC两两垂直．以B为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系，
则A1,0,0,B0,0,0，F1,1,0,C0,0,1, ∴AC=-1,0,1,BF=1,1,0,AB=-1,0,0，
设异面直线AC、BF的公垂向量为n=x,y,z，则AC→⋅n⃑=-x+z=0,BF→⋅n⃑=x+y=0,,
令x=1，则y=-1,z=1，∴n=1,-1,1，
∴d=AB⋅nn=13=33，即MN的最小值为33．
故答案为：33
变式7. （20-21高二上·山东泰安·期中）如图所示，在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，AA1=2，AB=BC=1，动点P、Q分别在线段C1D、AC上，则线段PQ长度的最小值是 ．
【答案】13
【解析】以点D为坐标原点，DA、DC、DD1所在直线分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系，利用空间向量法计算出异面直线C1D、AC的公垂线的长度，即为所求.
【详解】由题意可知，线段PQ长度的最小值为异面直线C1D、AC的公垂线的长度.
如下图所示，以点D为坐标原点，DA、DC、DD1所在直线分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系，
则点A1,0,0、C0,1,0、C10,1,2、D0,0,0，
所以，AC=-1,1,0，DC1=0,1,2，DA=1,0,0，
设向量n=x,y,z满足n⊥AC，n⊥DC1，
由题意可得n⋅AC=-x+y=0n⋅DC1=y+2z=0，解得x=yz=-y2，取y=2，则x=2，z=-1，
可得n=2,2,-1，
因此，PQmin=DA⋅nn=23.
故答案为：23.
【点睛】关键点点睛：解本题的关键在于将PQ长度的最小值转化为异面直线AC、C1D的距离，实际上就是求出两条异面直线的公垂线的长度，利用空间向量法求出两条异面直线间的距离，首先要求出两条异面直线公垂线的一个方向向量的坐标，再利用距离公式求解即可.
变式8. （18-19高二下·江苏常州·期中）如图所示的正方体是一个三阶魔方(由27个全等的棱长为1的小正方体构成），正方形ABCD是上底面正中间一个正方形，正方形A1B1C1D1是下底面最大的正方形，已知点P是线段AC上的动点，点Q是线段B1D上的动点，则线段PQ长度的最小值为 ．
【答案】33434
【分析】建立空间直角坐标系，写出点的坐标，求出目标PQ的表达式，从而可得最小值.
【详解】以B1为坐标原点，B1C1,B1A1所在直线分别为x轴，y轴建立空间直角坐标系，
则B10,0,0,A1,2,3,C2,1,3,D2,2,3 ,
设B1Q=λB1D,AP=μAC,λ,μ∈0,1.
B1Q=2λ,2λ,3λ,B1P=B1A+AP=B1A+μAC=1+μ,2-μ,3.
QP=B1P-B1Q=1+μ-2λ,2-μ-2λ,3-3λ,
QP2=1+μ-2λ2+2-μ-2λ2+3-3λ2
=17λ2-30λ+2μ2-2μ+14=17λ-15172+2μ-122+934
当λ=1517且μ=12时，QP2取到最小值934，所以线段PQ长度的最小值为33434.
【点睛】本题主要考查空间向量的应用，利用空间向量求解距离的最值问题时，一般是把目标式表示出来，结合目标式的特征，选择合适的方法求解最值.
【方法技巧与总结】
计算两点间的距离的两种方法
1.利用|a|2＝a·a，通过向量运算求|a|，如求A，B两点间的距离，一般用|eq \(AB,\s\up7(→))|＝eq \r(\(|\(AB,\s\up7(→))|2))＝eq \r(\(\(AB,\s\up7(→))·\(AB,\s\up7(→))))求解．
2.用坐标法求向量的长度(或两点间距离)，此法适用于求解的图形适宜建立空间直角坐标系时．
【题型2：向量法求点线距】
例2.（2024·全国·模拟预测）已知在空间直角坐标系中，直线l经过A3,3,3，B0,6,0两点，则点P0,0,6到直线l的距离是（ ）
A．62B．23C．26D．32
【答案】C
【分析】由题意先求出直线的方向向量e=AB=-3,3,-3，然后依次求得cse,AP,sine,AP，则P到直线的距离为d=APsine,AP，求解即可.
【详解】由题意可知直线l的方向向量为：e=AB=-3,3,-3，
又AP=-3,-3,3，则cse,AP=e⋅APeAP=9-9-927×27=-13，
sine,AP=1--132=223，
点P0,0,6到直线l的距离为：d=APsine,AP=9+9+9×223=26.
故选：C.
变式1．（23-24高二下·江西·阶段练习）已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2，F是棱A1D1的中点，若点P在线段CD上运动，则点P到直线BF的距离的最小值为（ ）
A．53B．253C．255D．455
【答案】D
【分析】以点D为原点，建立空间直角坐标系，借助空间向量结合二次函数求解作答.
【详解】在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，以DA,DC,DD1分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，
则有B2,2,0，F1,0,2，则FB=1,2,-2，
设点P0,y,0，y∈0,2，BP=-2,y-2,0，
则点P到直线BF的距离
d=|BP|2-BP⋅FBFB2=y2-4y+8-2y-632=59y-652+165≥455，
当且仅当y=65时取等号，则点P到直线BF的距离的最小值为455.
故选：D.
变式2．（23-24高二下·江苏南通·阶段练习）在三棱锥P-ABC中，PA，PB，PC两两垂直，且PA=1，PB=2，PC=3，三角形ABC重心为G，则点P到直线AG的距离为（ ）
A．67B．53C．21717D．22117
【答案】D
【分析】建立空间直角坐标系，利用空间向量法求点到直线的距离即可得解.
【详解】如图所示：以PA,PB,PC为x,y,z轴建立空间直角坐标系，
则P0,0,0，A1,0,0，B0,2,0 C0,0,3，则G13,23,1，
PA=1,0,0，AG=-23,23,1，
故PA在AG的投影为PA⋅AGAG=-23-232+232+1=-21717，
点P到线AG的距离为PA2-PA⋅AGAG21-217172=22117.
故选：D.
变式3．（2024·广西来宾·一模）棱长为3的正方体ABCD-A1B1C1D1中，点E，F满足D1E=2ED，BF⃗=2FB1⃗，则点E到直线FC1的距离为（ ）
A．3355B．2355
C．375D．275
【答案】A
【分析】利用向量法求点到直线的距离.
【详解】如图，建立空间直角坐标系，根据条件可得E0,0,1，F3,3,2，C10,3,3，
EF=3,3,1，FC1=-3,0,1，设向量EF与FC1的夹角为θ，
∴csθ=EF⋅FC1EFFC1=-9+119×10=-8190，
所以点E到直线FC1的距离为d=EF⋅sinθ=19×1-64190=3355.
故选：A.
变式4．(多选)（23-24高二下·江西·开学考试）如图，四边形ABCD,ABEF都是边长为2的正方形，平面ABCD⊥平面ABEF，P，Q分别是线段AE,BD的中点，则（ ）
A．PQ∥DF
B．异面直线AQ,PF所成角为π6
C．点P到直线DF的距离为62
D．△DFQ的面积是32
【答案】AC
【分析】建立适当的空间直角坐标系，对于A，判断DF,PQ是否平行即可；对于B，求出两直线的方向向量，由两向量的夹角的余弦公式即可验算；对于C，由公式PF2-PF⋅DFDF2即可验算；对于D，由PQ∥DF得，Q到DF的距离即为P到DF的距离，结合三角形面积公式即可验算.
【详解】由题意知AB,AD,AE两两垂直，以A为坐标原点，AD,AB,AE所在直线分别为x轴，y轴，z轴建立空间直角坐标系如图所示，
则A0,0,0，B0,2,0，D2,0,0，E0,2,2，F0,0,2，
又P，Q分别是线段AE，BD的中点，所以P0,1,1，Q1,1,0，
所以PQ=1,0,-1，DF=-2,0,2=-2PQ，
又PQ，DF不共线，所以PQ∥DF，故A正确；
AQ=1,1,0，PF=0,-1,1，
设异面直线AQ,PF所成角为θ，则csθ=AQ⋅PFAQ⋅PF=12×2=12，
又θ∈0,π2，所以θ=π3，即异面直线AQ,PF所成角为π3，故B错误；
由PF=0,-1,1，DF=-2,0,2，得PF⋅DFDF=222=22，
所以点P到直线DF的距离为PF2-PF⋅DFDF2=2-12=62，故C正确；
因为PQ∥DF，所以Q到DF的距离即为P到DF的距离62，
所以△DFQ的面积S=12DF×62=3．故D错误．
故选：AC．
变式5．（多选）（23-24高二下·江苏扬州·阶段练习）如图，在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，点P是线段AD1上的点，点E是线段CC1上的一点，则下列说法正确的是（ ）
A．存在点E，使得A1E⊥平面AB1D1
B．当点E为线段CC1的中点时，点B1到平面AED1的距离为2
C．点E到直线BD1的距离的最小值为22
D．当点E为棱CC1的中点，存在点P，使得平面PBD与平面EBD所成角为π4
【答案】ABD
【分析】建立空间直角坐标系，利用向量垂直即可求解A，求解平面法向量，即可根据点面距离，以及点线距离，求解BC，利用两平面的法向量的夹角即可求解D.
【详解】对A选项，以DA，DC，DD1所在的直线分别为x轴，y轴，z轴，建系如图：
则根据题意可得D(0,0,0),D1(0,0,2),A1(2,0,2),B1(2,2,2),A2,0,0，
设E(0,2,a)(0≤a≤2)，
所以AD1=(-2,0,2)，AB1=(0,2,2)，A1E=(-2,2,a-2)，
假设存在点E，使得A1E⊥平面AB1D1，
则AD1⋅A1E=4+2a-2=0，AB1⋅A1E=4+2a-2=0，
解得a=0，
所以存在点E，使得A1E⊥平面AB1D1，此时点E与点C重合，故A正确；
对于B，点E为线段CC1的中点时，E0,2,1,AE=(-2,2,1),AD1=(-2,0,2),
设平面AED1的法向量为m=x,y,z，则AD1⋅m=-2x+2z=0AE⋅m=-2x+2y+z=0，取x=2，则m=2,1,2，
AB1=(0,2,2),故点B1到平面AED1的距离为AB1⋅mm=2+43=2，故B正确，
对C选项,E(0,2,a)(0≤a≤2)，BE=-2,0,a,BD1=-2,-2,2,
点E到直线BD1的距离为BE⃗2-BE⃗⋅BD1⃗BD1⃗2=4+a2-4+2a232=63a-12+3，
故当a=1时，即点E为CC1中点时，此时点E到直线BD1的距离的最小值为2，故C错误；
对D选项，点E为线段CC1的中点时，E0,2,1,DE=0,2,1,DB=2,2,0,
设平面EBD的法向量为a=x1,y1,z1，则DE⋅a=2y1+z1=0DB⋅a=2x1+2y1=0，取x1=1，则a=1,-1,2，
设Px,0,2-x0≤x≤2,DP=x,0,2-x,DB=2,2,0,
设平面PBD的法向量为b=x2,y2,z2，则DP⋅b=xx2+2-xz2=0DB⋅b=2x2+2y2=0，取x2=2-x，则b=2-x,x-2,-x，
若存在点P，使得平面PBD与平面EBD所成角为π4，
则csa,b=a⋅bab=2-x-x+2-2x22-x2+x26=22，化简得7x2-8x-8=0，解得x=4+627或4-627，由于0≤x≤2，所以x=4+627，故D正确，
故选：ABD．
变式6．（23-24高二上·河北邢台·期末）已知空间直角坐标系中的点A1,1,1,B0,1,0,C1,2,3，则点C到直线AB的距离为 .
【答案】3
【分析】设CD为三角形ABC的边BA上的高，由A,B,D三点共线，以及CD⊥AB，可通过待定系数得出CD=1,-1,-1，结合模长公式即可得解.
【详解】由题意设CD为三角形ABC的边BA上的高，而AB=-1,0,-1,CA=0,-1,-2,CB=-1,-1,-3，
因为A,B,D三点共线，设CD=λCA+1-λCB=0,-λ,-2λ+λ-1,λ-1,3λ-3=λ-1,-1,λ-3，
因为CD⊥AB，所以CD⋅AB=1-λ+3-λ=4-2λ=0，解得λ=2，
所以CD=1,-1,-1，所以点C到直线AB的距离为1+1+1=3.
故答案为：3.
变式7．（23-24高二上·山东青岛·期末）在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，AA1=2AB=4，点E在线段CC1上，且CC1=4CE，点F为BD中点.

(1)求点D1到直线EF的距离；
(2)求证：A1C⊥面BDE.
【答案】(1)1143
(2)证明见解析
【分析】（1）依题建系，求得相关点和向量的坐标，利用点到直线的距离的空间向量计算公式即可求得；
（2）由（1）中所建的系求出A1C,DB,DE的坐标，分别计算得到A1C⋅DB=0和A1C⋅DE=0，由线线垂直推出线面垂直.
【详解】（1）

如图,以D为原点，以DA,DC,DD1分别为x,y,z轴正方向，建立空间直角坐标系，
∵正四棱柱ABCD-A1B1C1D1,AA1=2AB=4,CC1=4CE,F为BD中点,
∴D10,0,4,E0,2,1,F1,1,0,ED1=0,-2,3,EF=1,-1,-1
则点D1到直线EF的距离为：d=ED1⃗2-ED1⃗⋅EF⃗EF⃗2=13-132=1143.
（2）由（1）可得C0,2,0,B2,2,0,A12,0,4，
则A1C=-2,2,-4,DB=2,2,0,DE=0,2,1，
由A1C⋅DB=-2×2+2×2=0可得A1C⊥DB，
又由A1C⋅DE=2×2+(-4)×1=0可得A1C⊥DE，
又DB∩DE=D，
故A1C⊥面BDE.
变式8．（2024高二上·江苏·专题练习）如图所示，在四棱锥P-ABCD中，ABCD是矩形，PA⊥平面ABCD，PA=AB=3，BC=2，E是PB上一点，且BE=2EP，求点E到直线PD的距离.
【答案】22113
【分析】根据题意，建立空间直角坐标系，结合空间向量的坐标运算代入计算，即可得到结果.
【详解】
以A为原点，AB,AD,AP分别为x,y,z轴的正半轴建立如图所示的空间直角坐标系，
则E1,0,2,P0,0,3,D0,2,0，
所以EP=-1,0,1,PD=0,2,-3，
设=θ，则csθ=EP⋅PDEP⋅PD=-32×13=-326，
则sinθ=1-cs2θ=1726，
所以点E到直线PD的距离d=EP⋅sinθ=2×1726=22113.
【方法技巧与总结】
用向量法求点线距的一般步骤
建立空间直角坐标系；
（2）求直线的方向向量；
（3）计算所求点与直线上某一点所构成的向量在直线的方向向量上的投影长；
（4）利用勾股定理求解．另外，要注意平行直线间的距离与点到直线的距离之间的转化.
【题型3：用向量法求点面距】
例3．（多选）（23-24高二下·甘肃·期末）如图，正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2，则下列说法正确的是（ ）
A．直线D1C和BC1所成的角为π4
B．四面体BDC1A1的体积是83
C．点A1到平面BDC1的距离为433
D．平面BDA1与平面BDC1所成二面角的正弦值为223
【答案】BCD
【分析】建立空间直角坐标系，利用空间向量法计算A、C、D，利用割补法求出四面体BDC1A1的体积，即可判断B.
【详解】建立如图所示空间直角坐标系Dxyz，则D0,0,0,B2,2,0,C0,2,0，D10,0,2,A12,0,2,B12,2,2，C10,2,2，
对于A，D1C=0,2,-2,BC1=-2,0,2，故csD1C,BC1=-422×22=-12，
故D1C,BC1=2π3，即直线D1C和BC1所成的角为π3，故A错误；
对于B，易得四面体BDC1A1为正四面体，
则VBDC1A1=VABCD-A1B1C1D1-4VB-A1B1C1=8-4×13×12×2×2×2=83，故B正确；
对于C，DA1=2,0,2,DB=2,2,0,BC1=-2,0,2，
设平面BDC1的法向量为n=x,y,z，则有n⋅DB=2x+2y=0n⋅BC1=-2x+2z=0，
令x=1，则n=1,-1,1，故点A1到平面BDC1的距离d=DA1⋅nn=2+23=433，故C正确；
对于D，设平面BDA1的法向量为m=a,b,c，则有m⋅DA1=2a+2c=0m⋅DB=2a+2b=0，
令a=-1，则m=-1,1,1，所以csm,n=-1-1+13×3=-13，
所以平面BDA1与平面BDC1所成二面角的正弦值为1--132=223，故D正确．
故选：BCD
变式1．（多选）（23-24高二下·四川凉山·期末）如图，在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E、F分别为BB1、CC1的中点，G是线段B1C1上的一个动点，则下列说法正确的是（ ）

A．直线AG与平面AEF所成角的余弦值的取值范围为1010,66
B．点G到平面AEF的距离为255
C．四面体AEFG的体积为253
D．若线段AA1的中点为H，则GH一定平行于平面AEF
【答案】BD
【分析】建系，求平面AEF的法向量.对于A：利用空间向量求线面夹角；对于B：利用空间向量求点到面的距离；对于C：根据锥体的体积公式运算求解；对于D：利用空间向量证明线面平行.
【详解】如图，以A1为坐标原点，A1B1,A1D1,A1A分别为x,y,z轴，建立空间直角坐标系，

则A0,0,2,E2,0,1,F2,2,1,A10,0,0，设G2,a,0,a∈0,2，
可得AE=2,0,-1,EF=0,2,0,AG=2,a,-2，
设平面AEF的法向量n=x,y,z，则n⋅AE=2x-z=0n⋅EF=2y=0，
令x=1，则y=0,z=2，可得n=1,0,2，
对于选项A：设直线AG与平面AEF所成角为θ∈0,π2，
可得sinθ=csAG,n=AG⋅nAG⋅n=2a2+8×5∈1515,1010，
所以直线AG与平面AEF所成角的余弦值的取值范围为1515,1010，故A错误；
对于选项B：点G到平面AEF的距离为d=AG⋅nn=255，故B正确；
对于选项C：由题意可知：AE=5，
所以四面体AEFG的体积为13×255×12×2×5=23，故C错误；
对于选项D：由题意可知：H0,0,1，则HG=2,a,-1，
可得n⋅HG=2×1+a×0+-1×2=0，可知n⊥HG，
且GH⊄平面AEF，所以GH一定平行于平面AEF，故D正确；
故选：BD.
【点睛】关键点点睛：求平面AEF的法向量，进而利用空间向量处理相关问题.
变式2．（23-24高二下·安徽·期末）在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E，F分别为正方形ABCD和正方形CDD1C1的中心，则点A到平面A1EF的距离为 .
【答案】21111/21111
【分析】建系，写出相关点的坐标，分别求出AA1与平面A1EF的法向量n的坐标，代入点到平面距离的向量计算公式计算即得.
【详解】
如图，以点D为坐标原点，分别以DA,DC,DD1所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系.
则A(2,0,0),A1(2,0,2),E(1,1,0),F(0,1,1),
于是，AA1⃗=(0,0,2)，A1E=(-1,1,-2),A1F=(-2,1,-1),
设平面A1EF的法向量为n=(x,y,z)，则n⋅A1E=-x+y-2z=0n⋅A1F=-2x+y-z=0，
故可取n=(1,3,1)，则点A到平面A1EF的距离为d=|n⃗⋅AA1⃗||n⃗|=211=21111.
故答案为：21111.
变式3．（24-25高二上·上海·课堂例题）已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1，H为棱AA1（包含端点）上的动点，则点H到平面B1CD1距离的取值范围是 ．
【答案】33,233
【分析】建立空间直角坐标系，利用坐标法可得点到平面的距离，进而可得范围.
【详解】建立如图所示的空间直角坐标系，
则D0,0,0，B1,1,0，C0,1,0，A1,0,0，D10,0,1，C10,1,1，B11,1,1，
设H1,0,h，其中0≤h≤1，
则D1B1=1,1,0，D1C=0,1,-1，
设平面B1CD1的法向量为n=x,y,z，
则n⋅D1B1=x+y=0n⋅D1C=y-z=0，
令p=-1，故n=-1,1,1，
而B1H→=0,-1,h-1，
故H到平面B1CD1的距离d=B1H⋅B1H⋅nB1H⋅n=h-23=2-h3∈33,233，
故答案为：33,233.
变式4．（23-24高二下·河北唐山·期末）在三棱锥P—ABC中，AB=BC=PC=PB=2，∠ABC=90°，E为AC的中点，PB⊥AC．

(1)求证：平面PBE⊥平面ABC；
(2)求点C到平面PAB的距离．
【答案】(1)证明见解析
(2)263．
【分析】（1）先证AC⊥BE，再证AC⊥平面PBE由线面垂直推出面面垂直即得；
（2）先证PE⊥平面ABC，建立空间直角坐标系，求出相关向量坐标，利用点到平面距离的向量公式计算即得.
【详解】（1）∵AB=BC，E为AC的中点，∴BE⊥AC
又PB⊥AC，且PB∩BE=B,PB,BE⊂平面 PBE，故AC⊥平面PBE．
又AC⊂平面ABC，所以平面PBE⊥平面ABC
（2）在三角形ABC中：AB=BC=2,∠ABC=90°，
∴AC=22 BE=2
由（1）知AC⊥平面PBE．因PE⊂平面PBE ∴AC⊥PE．
又E为AC的中点，则PE垂直平分AC，PC=2，
∴PE=2 ，又PB=2
∴PB2=PE2+BE2，即PE⊥BE，又AC∩BE=E,AC,BE⊂平面ABC，故得，PE⊥平面ABC.
故可以E为坐标原点，分别以EA、EB、EP所在方向为x轴、y轴、z轴，建立空间直角坐标系，如图.

则A2,0,0，B0,2,0，P0,0,2，C-2,0,0，
∴AP=-2,0,2，BP=0,-2,2，PC=-2,0,-2，
设平面PAB的一个法向量为n=x,y,z，则n⋅AP=-2x+2z=0n⋅BP=-2y+2z=0
令z=1，得n=1,1,1．
设点C到平面PAB的距离d，则d=PC⋅n|n|=223=263．
变式5．（21-22高二上·安徽芜湖·期中）如图所示，已知四棱锥的底面是边长为1的正方形，PD⊥AD，PC=2，PD=1，E，F分别是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．
【答案】(1)31717
(2)1717
【分析】（1）根据题意，建立空间直角坐标系，结合空间向量的坐标运算以及点到面的距离公式代入计算，即可求解；
（2）结合直线到平面的距离公式，代入计算，即可求解.
【详解】（1）
∵PD=CD=1，PC=2，∴PD⊥CD．
又PD⊥AD，CD∩AD=D，CD,AD⊂平面ABCD，
∴PD⊥面ABCD，
故建立如图所示的空间直角坐标系．
则D(0,0,0)，P(0,0,1)，A(1,0,0)，C(0,1,0)，E1,12,0，F12,1,0，
PE=1,12,-1，PF=12,1,-1，DP=(0,0,1)，
设n=(x,y,z)为面PEF的法向量，n→·PE→=0n→·PF→=0，∴x+12y-z=012x+y-z=0
令y=2，则x+1-z=012x+2-z=0，∴x=2，z=3，∴n=(2,2,3)，
设点D到平面PEF的距离为d，则d=DP⋅nn=31717．
（2）因为AC//EF，AC⊄平面PEF，EF⊂平面PEF，
所以AC//平面PEF，所以直线AC到平面PEF的距离等于点A到平面PEF的距离，
设点A到平面PEF的距离为d1，PA=(1,0,-1)，则d1=PA⋅nn=1717．
变式6．（24-25高二上·全国·课后作业）如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是矩形，PA⊥平面ABCD，PA=AD=4，AB=2，若M、N分别为棱PD、PC的中点，O为AC中点．
(1)求证：平面ABM⊥平面PCD；
(2)求点N到平面ACM的距离．
【答案】(1)证明见解析
(2)63
【分析】（1）要证面面垂直，可以先证线线垂直，线面垂直，再证面面垂直即可，
（2）建立空间直角坐标系，求出AN=1,2,2及平面ACM的法向量，采用向量法来求点到平面的距离．
【详解】（1）∵PA⊥平面ABCD，AB,AD⊂面ABCD，
∴PA⊥AB，PA⊥AD．
∵矩形ABCD，
∴AB⊥AD，故PA、AB、AD两两垂直．
分别以AB、AD、AP所在直线为x轴、y轴和z轴建立空间直角坐标系，如图所示．
则P0,0,4，B2,0,0，C2,4,0，D0,4,0，O1,2,0．
∴M0,2,2，N1,2,2，AB=2,0,0，AM=0,2,2
设平面ABM的法向量为n1=x1,y1,z1，则2x1=0,2y1+2z1=0,可取n1=0,1,-1，
设平面PCD的法向量为n2=x2,y2,z2，PC=2,4,-4，DC=2,0,0，则2x2+4y2-4z2=0,2x2=0,可取n2=0,1,1，
∴n1⋅n2=0，
∴n1⊥n2，
∴平面ABM⊥平面PCD．
（2）解：设平面ACM的法向量为n=x,y,z．
∵AC=2,4,0，AM=0,2,2，
由AC⋅n=0,AM⋅n=0,得2x+4y=0,2y+2z=0,可取n=2,-1,1
∵AN=1,2,2，平面ACM的法向量为n= 2,-1,1，
∴d=AN⋅nn=26=63．
变式7．（23-24高二下·天津·期末）如图，ABCD是边长为3的正方形，DE⊥平面ABCD，AF//DE且DE=2AF=4.
(1)求证：BF//平面DEC；
(2)求平面BEC与平面BEF夹角的余弦值；
(3)求点D到平面BEF的距离.
【答案】(1)证明见解析
(2)175
(3)121717
【分析】（1）以D为原点建立如图所示的空间直角坐标系，求出BF=0,-3,2，平面DEC的一个法向量为DA=3,0,0，则由DA⋅BF=0，即可证得BF//平面DEC；
（2）分别求出平面BEC与平面BEF的一个法向量m,n，则利用向量坐标运算，求得平面BEC与平面BEF夹角的余弦值；
（3）由平面BEF的一个法向量为n=2,2,3，DE=0,0,4，利用点到平面的距离公式即可求得点D到平面BEF的距离.
【详解】（1）

由已知，ABCD是边长为3的正方形，DE⊥平面ABCD，
由DA、DC⊂平面ABCD，所以DE⊥DA，DE⊥DC，又DA⊥DC，
DE∩DC=D，DE、DC⊂平面DEC，
所以DA⊥平面DEC，
以D为原点，DA、DC、DE为x、y、z轴建立如图所示的空间直角坐标系，
已知DE=2AF=4，
则B3,3,0,F3,0,2，所以BF=0,-3,2，
易知平面DEC的一个法向量为DA=3,0,0，
得DA⋅BF=0，又BF⊄平面DEC，
所以 BF//平面DEC.
（2）由上坐标系可知E0,0,4,C0,3,0，则BE=-3,-3,4,BC=-3,0,0，
设平面BEC与平面BEF的一个法向量分别为m=a,b,c,n=x,y,z，
则有m⋅BE=0m⋅BC=0⇒-3a-3b+4c=0-3a=0，n⋅BE=0n⋅BF=0⇒-3x-3y+4z=0-3y+2z=0，
取b=4,y=2，则a=0,c=3,x=2,z=3，即m=0,4,3,n=2,2,3，
设平面BEC与平面BEF的夹角为θ，则csθ=m⋅nm⋅n=17517=175.
（3）由（2）得平面BEF的一个法向量为n=2,2,3，
又DE=0,0,4，所以点D到平面BEF的距离d=DE⋅nn=1217=121717.
变式8．（23-24高二下·江苏淮安·期末）如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD为矩形，PA⊥平面ABCD，PB=5，PC=6，PD=2.
(1)证明：平面PAB⊥平面PBC；
(2)求二面角B-PC-D的余弦值；
(3)求点C到平面PBD的距离.
【答案】(1)证明见解析
(2)-105
(3)23
【分析】（1）根据题意可证BC⊥平面PAB，结合面面垂直的判定定理分析证明；
（2）建系标点，分别为求平面PBC、平面PCD的法向量，利用空间向量求二面角；
（3）求平面PBD的法向量，利用空间向量求点到面的距离.
【详解】（1）因为PA⊥平面ABCD，BC⊂平面ABCD，则PA⊥BC，
又因为ABCD为矩形，则AB⊥BC，
且PA∩AB=A，PA,AB⊂平面PAB，可得BC⊥平面PAB，
且BC⊂平面PBC，所以平面PAB⊥平面PBC.
（2）由题意可知：PA⊥平面ABCD，且AB⊥AD，
如图，以A为坐标原点，AB,AD,AP分别为x,y,z轴，建立空间直角坐标系，
设AB=a,AD=b,AP=c,a,b,c>0，
由题意可得a2+c2=5a2+b2+c2=6b2+c2=2，解得a=2b=1c=1，
则A0,0,0,B2,0,0,C2,1,0,D0,1,0,P0,0,1，
可得BC=0,1,0,PB=2,0,-1,DC=2,0,0,PD=0,1,-1，
设平面PBC的法向量为n1=x1,y1,z1，则n1⋅BC=y1=0n1⋅PB=2x1-z1=0，
令x1=1，则y1=0,z1=2，可得n1⃗=1,0,2；
设平面PCD的法向量为n2=x2,y2,z2，则n2⋅DC=x2=0n2⋅PD=y2-z2=0，
令y2=1，则x2=0,z2=1，可得n2=0,1,1；
则，
由题意可知：二面角B-PC-D为钝角，所以二面角B-PC-D的余弦值为-105.
（3）设平面PBD的法向量为m=x,y,z，则m⋅PB=2x-z=0m⋅PD=y-z=0，
令x=1，则y=z=2，可得m=1,2,2，
所以点C到平面PBD的距离d=m⋅DCm=23.
【方法技巧与总结】
用向量法求点面距的步骤
建系：建立恰当的空间直角坐标系；
求点坐标：写出（求出）相关点的坐标；
（3）求向量：求出相关向量的坐标（AP，α内两个不共线向量，平面α的法向量n）；
（4）求距离d=|AP∙n||n|
【题型4：用向量法求线面距】
例4．（23-24高二下·甘肃·期中）已知棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E，M，N分别是A1B1,AD,CC1的中点，则直线AC与平面EMN之间的距离为（ ）
A．1B．33C．32D．3
【答案】B
【分析】建立空间直角坐标系，先利用向量法证明AC//平面EMN，根据线面距离的定义把直线AC到平面EMN的距离转化为点A到平面EMN的距离，再利用点面距离的向量公式求解即可.
【详解】如图，以D为原点，建立空间直角坐标系，
则A(2,0,0),C(0,2,0),E(2,1,2),M(1,0,0),N(0,2,1)，
所以ME=(1,1,2),MN=(-1,2,1),AC=(-2,2,0)，设平面EMN的一个法向量为m=(x,y,z)，
则m⋅ME=x+y+2z=0,m⋅MN=-x+2y+z=0,令x=1，可得m=(1,1,-1)，所以AC⋅m=0，
即AC⊥m，又AC⊂平面EMN，所以AC//平面EMN，
故点A到平面EMN的距离即为直线AC到平面EMN的距离，
又MA=(1,0,0)，所以点A到平面EMN的距离为MA⋅m|m|=13=33，
即直线AC与平面EMN之间的距离为33.
故选：B
变式1．（多选）（22-23高二上·云南昆明·期中）如图，在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，M是A1B1的中点，点P是侧面CDD1C1上的动点，且MP//截面AB1C，则下列说法正确的是（ ）

A．直线MP到截面AB1C的距离是定值
B．点M到截面AB1C的距离是33
C．MP的最大值是22
D．MP的最小值是2
【答案】ABC
【分析】由MP//截面AB1C，可得直线MP到截面AB1C的距离即为点M到截面AB1C的距离，利用空间向量法求出点到平面的距离，即可判断A、B，取CC1的中点为R，取CD的中点为N，取B1C1的中点为H，即可证明平面MNRH//平面AB1C，则线段MP扫过的图形是△MNR，求出MP的取值范围，从而判断C、D.
【详解】因为MP//截面AB1C，M是A1B1的中点，
所以直线MP到截面AB1C的距离，即为点M到截面AB1C的距离，为定值，
如图建立空间直角坐标系，则A2,0,0，C0,2,0，B12,2,2，M2,1,2，
所以B1C=-2,0,-2，B1A=0,-2,-2，B1M=0,-1,0，
设平面AB1C的法向量为n=x,y,z，则n⋅B1C=-2x-2z=0n⋅B1A=-2y-2z=0，取n=1,1,-1，
所以点M到截面AB1C的距离d=B1M⋅nn=13=33，
所以点M到截面AB1C的距离是33，故A、B正确；

取CC1的中点为R，取CD的中点为N，取B1C1的中点为H，如图所示

因为R是CC1的中点，H是B1C1的中点，
所以B1C//HR，
因为HR⊄平面AB1C，B1C⊂平面AB1C，
所以HR//平面AB1C，
同理可证MH//平面AB1C，
又HR∩MH=H，HR,MH⊂平面MNRH，
所以平面MNRH//平面AB1C.
又MP⊂平面MNRH，线段MP扫过的图形是△MNR，
即点P的轨迹为线段NR，
由AB=2，得MN=22+22=22，NR=12+12=2,
MC1=12+22=5，MR=12+52=6，
所以MN2=NR2+MR2，即∠MRN为直角，
所以线段MP长度的取值范围是6,22，即MP∈6,22，
所以MP的最大值是22，MP的最小值是6，故C正确，D错误.
故选：ABC
【点睛】关键点点睛：求点到平面的距离关键是利用空间向量法，当然也可利用等体积法，C、D主要是确定动点P的轨迹，从而确定MP的取值范围.
变式2．（24-25高二上·上海·课堂例题）已知正四面体A-BCD的棱长为2，点M、N分别为△ABC和△ABD的重心，则直线MN到平面ACD的距离为 ．
【答案】269
【分析】将正四面体放入正方体中，建立空间直角坐标系，利用坐标法可证线面平行，进而可得直线到平面的距离.
【详解】将正四面体A-BCD放入正方体DEBF-GAHC中，
以点D为原点，以DE、DF、DG所在直线为x轴、y轴、z轴，如图所示，
因为正四面体A-BCD的棱长为2，所以正方体的棱长为2，
则A2,0,2，B2,2,0，C0,2,2，
因为点M、N分别为△ABC和△ABD的重心，
所以点M的坐标为223,223,223，点N的坐标为223,23,23，
所以MN=0,-23,-23,
设平面ACD的一个法向量为n=x,y,z，
因为DA=2,0,2，DC=0,2,2，
所以2x+2z=02y+2z=0，取x=1，则n=1,1,-1，
因为MN⋅n=0，且直线MN不在平面ACD上，
所以直线MN//平面ACD，
所以点N到平面ACD的距离就是直线MN到平面ACD的距离，
点N到平面ACD的距离d=DN⋅nn=2233=269，
故答案为：269.
变式3．（23-24高二下·山东烟台·阶段练习）如图，在边长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中，点P在B1C1上，点Q在平面ABB1A1内，设直线AA1与直线PQ所成角为θ.若直线PQ到平面ACD1的距离为32，则sinθ的最小值为 .
【答案】33
【分析】建立空间直角坐标系，利用向量法表示出P到面ACD1的距离，进而求出点P坐标，过P作平面ACD1的平行平面，得到点Q的轨迹，再利用向量法求线线角，进而求其最值即可.
【详解】因为直线PQ到平面ACD1的距离为32，
所以必有PQ//面ACD1，即点P到平面ACD1的距离为32，
如图建立空间直角坐标系，设Pp,1,1，又A1,0,0,C0,1,0,D10,0,1，
则AC=-1,1,0,AD1=-1,0,1,CP=p,0,1，
设面ACD1的法向量为n=x,y,z，
则AC⋅n=-x+y=0AD1⋅n=-x+z=0，取x=1得n=1,1,1，
则CP⋅nn=p+13=32，解得p=12，即P12,1,1，
过P作平面ACD1的平行平面，与正方体ABCD-A1B1C1D1的截面为PMN，
M,N分别为线段A1B1和线段BB1的中点，则M1,12,1,N1,1,12
所以Q在直线MN上，
设PQ=PM+MQ=PM+λMN=12,-12,0+λ0,12,-12=12,12λ-12,-12λ，
又AA1=0,0,1，则csθ=AA1⋅PQAA1⋅PQ=12λ14+12λ-122+14λ2，
当λ=0时，csθ=0，
当λ≠0时，csθ=121λ2-1λ+1，
又1λ2-1λ+1=1λ-122+34≥34，所以csθ≤12×34=63，
则sinθ的最小值为1-632=33.
故答案为：33
变式4．（2024·广东·三模）如图，边长为4的两个正三角形ABC，BCD所在平面互相垂直，E，F分别为BC，CD的中点，点G在棱AD上，AG=2GD，直线AB与平面EFG相交于点H.
(1)证明：BD//GH；
(2)求直线BD与平面EFG的距离.
【答案】(1)证明见解析
(2)62.
【分析】（1）首先证明BD//平面EFG，再由线面平行的性质证明即可；
（2）连接EA,ED，以点E为原点，建立空间直角坐标系，利用点到平面距离公式求解即得.
【详解】（1）因为E、F分别为BC、CD的中点，所以EF//BD，
又BD⊄平面EFG，EF⊂平面EFG，则BD//平面EFG，
又BD⊂平面ABD，平面ABD∩平面EFG=GH，所以BD//GH.
（2）由（1）知，BD//平面EFG，
则点B到平面EFG的距离即为BD与平面EFG的距离，
连接EA,ED，由△ABC,△BCD均为正三角形，E为BC的中点，得EA⊥BC,ED⊥BC，
又平面ABC⊥平面BCD，平面ABC∩平面BCD=BC,AE⊂平面ABC，
于是AE⊥平面BCD，又ED⊂平面BCD，则EA⊥ED，
以点E为原点，直线EB,ED,EA分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系，
则B2,0,0，F-1,3,0，又A(0,0,23)，D(0,23,0)，
又AG→=2GD→，可得G0,433,233，
所以EB=2,0,0，EF=-1,3,0，EG=0,433,233，
设平面EFG的一个法向量为n=(x,y,z)，则EF⋅n=-x+3y=0EG⋅n=433y+233z=0，
令y=1，得n=3,1,-2，
设点B到平面EFG的距离为d，则d=|EB⋅n||n|=238=62，
所以BD与平面EFG的距离为62.
变式5．（2024·吉林·模拟预测）如图，在四棱锥P-ABCD中，PA⊥平面ABCD,PB=PC=26，PA=BC=2AD=2CD=4,E为BC中点，点F在梭PB上（不包括端点）.
(1)证明：平面AEF⊥平面PAD；
(2)若点F为PB的中点，求直线EF到平面PCD的距离.
【答案】(1)证明见解析
(2)455
【分析】（1）由线面垂直的性质与勾股定理，结合三线合一证得AE⊥AD，PA⊥AE，再线面垂直与面面垂直的判定定理即得证.
（2）由线面平行判定定理可证得EF//平面PCD，则点E到平面PCD的距离即为EF到平面PCD的距离.方法一：以A为原点建立空间直角坐标系，运用点到面的距离公式计算即可.方法二：运用等体积法VP-EDC=VE-PCD计算即可.
【详解】（1）证明：连接AC，如图所示，
∵PA⊥平面ABCD,∴PA⊥AB,PA⊥AC，
∵PB=PC=26,PA=4,∴AB=AC=22，
∵BC=4,∴AB2+AC2=BC2，即AB⊥AC，
又∵E为BC中点，则AE⊥BC，且AE=EC=2，
∵AD=CD=2,∴四边形AECD为正方形，∴AE⊥AD，
∵PA⊥平面ABCD,AE⊂平面ABCD,∴PA⊥AE，
又∵AD∩PA=A，AD、PA⊂平面PAD，∴AE⊥平面PAD，
又∵AE⊂平面AEF,∴平面AEF⊥平面PAD.
（2）∵在△PBC中，E,F分别为BC,PB中点，∴EF∥PC，
又EF⊄平面PCD,PC⊂平面PCD，∴EF//平面PCD，
∴点E到平面PCD的距离即为EF到平面PCD的距离，
（方法一）
∵PA⊥AD,PA⊥AE,AE⊥AD，
∴以A为原点，AE,AD,AP所在直线分别为x轴，y轴，z轴，
建立如图所示空间直角坐标系A-xyz，如图所示，
则E2,0,0,C2,2,0,P0,0,4,D0,2,0，
EC=0,2,0,CP=-2,-2,4,CD=-2,0,0，
设n=x,y,z是平面PCD的法向量，
∴n⋅CP=-2x-2y+4z=0n⋅CD=-2x=0,∴y=2zx=0，
取z=1，则y=2,∴n=0,2,1是平面PCD的一个法向量，
∴点E到平面PCD的距离为d=EC⋅nn=45=455，
即直线EF到平面PCD的距离为455.
（方法二）
连接ED、PE，如图所示，
∵△EDC为等腰直角三角形，∴S△EDC=12×2×2=2，
又∵PA⊥平面ECD,∴PA是三棱锥P-EDC的高，
∴ VP-EDC=13S△EDC⋅PA=13×2×4=83，
∵CD=2,PD=PA2+AD2=16+4=25,PC=26，
∴PD2+CD2=PC2,∴CD⊥PD，
∴S△PCD=12CD⋅PD=12×2×25=25，
设E到平面PCD距离为d，则VP-EDC=VE-PCD=13S△PCD⋅d，
∴13×25d=83,∴d=825=455，
即EF到平面PCD的距离为455.
变式6．（23-24高二下·江苏连云港·阶段练习）在如图所示的试验装置中，两个正方形框架ABCD,ABEF的边长都是1，且它们所在的平面互相垂直．活动弹子M，N分别在正方形对角线AC和BF上移动，且CM和BN的长度保持相等，记CM=BN=a(0cB．c>b>aC．c>a>bD．b>c>a
【答案】C
【分析】分别求出点M在x轴，y轴，z轴上的投影点的坐标，再借助空间两点间距离公式计算作答.
【详解】设点M在x轴上的投影点M1(x,0,0)，则M1M=(2-x,3,1)，而x轴的方向向量n1=(1,0,0)，
由n1⊥M1M得：n1⋅M1M=2-x=0，解得x=2，则a=|M1M|=32+12=10，
设点M在y轴上的投影点M2(0,y,0)，则M2M=(2,3-y,1)，
而y轴的方向向量n2=(0,1,0)，
由n2⊥M2M得：n2⋅M2M=3-y=0，解得y=3，则b=|M2M|=22+12=5，
设点M在z轴上的投影点M3(0,0,z)，则M3M=(2,3,1-z)，而z轴的方向向量n3=(0,0,1)，
由n3⊥M3M得：n3⋅M3M=1-z=0，解得z=1，则c=|M3M|=22+32=13，
所以c>a>b.
故选：C
8．（23-24高二下·江西·开学考试）在正三棱锥P-ABC中，AB=2PA=2，且该三棱锥的各个顶点均在以O为球心的球面上，设点O到平面PAB的距离为m，到平面ABC的距离为n，则nm=（ ）
A．3B．233C．3D．33
【答案】D
【分析】根据AB=2PA=2，得到PA，PB，PC两两垂直，从而把该三棱锥补成一个正方体求解.
【详解】解：在正三棱锥P-ABC中，PA=PB=PC，又PA=1，AB=2，所以PA2+PB2=AB2，所以PA⊥PB，
同理可得PA⊥PC，PC⊥PB，即PA，PB，PC两两垂直，
把该三棱锥补成一个正方体，则三棱锥的外接球就是正方体的外接球，正方体的体对角线就是外接球的直径，易得m=12，
如图，建立空间直角坐标系，

则A1,0,0，B0,1,0，C0,0,1，O12,12,12，
所以AB=-1,1,0，AC=-1,0,1，AO=-12,12,12，
设平面ABC的一个法向量为sx,y,z，
则s⋅AB=-x+y=0s⋅AC=-x+z=0，
令x=1，则y=z=1，所以s=1,1,1，
则点O到平面ABC的距离n=s⋅AOs=36，
所以nm=33．
故选：D．
二、多选题
9．(多选)（22-23高二上·辽宁·期中）如图，在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，AA1=2AB=2，O为四边形DCC1D1对角线的交点，下列结论正确的是（ ）
A．点O到侧棱的距离相等B．正四棱柱外接球的体积为6π
C．若D1E=14D1D，则A1E⊥平面AOD1D．点B到平面AOD1的距离为23
【答案】BD
【分析】利用正四棱柱的体对角线等于外接球直径，以及空间位置关系的向量方法证明和空间距离的向量方法计算方法即可求解.
【详解】对于A, O到侧棱CC1,DD1的距离等于12CD=12,
O到侧棱AA1,BB1的距离相等且等于BC2+CD22=52,故A错误；
对于B，设正四棱柱外接球的直径为d，则有d2=AB2+AD2+AA12=6,
即d=6，所以外接球的体积等于43πd23=6π，故B正确；
对于C，建立空间直角坐标系，如图，
则A(1,0,0),A1(1,0,2),O(0,12,1),D1(0,0,2),
因为D1E=14D1D，所以E(0,0,32),
所以A1E=(-1,0,-12)，AO=(-1,12,1)，AD1=(-1,0,2),
所以A1E⋅AO=1-12≠0，所以A1E与平面AOD1不垂直，故C错误；
对于D,由以上知，设平面AOD1的法向量为m=(x,y,z)，
则有AO=(-1,12,1)，AD1=(-1,0,2),
AO⋅m=0AD1⋅m=0,即-x+12y+z=0-x+2z=0，令x=2则z=1,y=2，
所以m=(2,2,1)，
因为AB=(0,1,0),所以点B到平面AOD1的距离为AB⋅mm=23，故D正确.
故选:BD.
10．（23-24高二下·甘肃·期中）如图所示，在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中，E，F分别为棱AA1和BB1的中点，则以D为原点，DA,DC,DD1所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系，则下列结论正确的是（ ）
A．EF//平面ABCD
B．D1E⊥CF
C．a=(1,0,2)是平面EFD1的一个法向量
D．点C到平面EFD1的距离为455
【答案】ACD
【分析】对于A，由线面平行的判定定理证明即可；对于B，由空间向量判断异面直线垂直即可；对于C，由平面法向量求解即可；对于D，由点到平面的距离公式计算即可.
【详解】对于A，由于E，F分别是AA1,BB1的中点，
所以EF//AB,AB⊂平面ABCD,EF⊂平面ABCD，
所以EF//平面ABCD，故A正确；
对于B，C(0,2,0),D1(0,0,2),E(2,0,1),F(2,2,1)，
故D1E=2,0,-1，CF=(2,0,1),D1E⋅CF=4+0-1≠0，
故D1E与CF不垂直，进而可得D1E与CF不垂直，故B错误；
对于C，由C(0,2,0),D1(0,0,2),E(2,0,1),F(2,2,1)，所以D1E=(2,0,-1),D1F=(2,2,-1)，
设平面D1EF的法向量为n=(x,y,z)，则n⋅D1E=2x-z=0n⋅D1F=2x+2y-z=0，
令x=1，则y=0,z=2，所以平面D1EF的一个法向量n=(1,0,2)，故C正确；
对于D，CD1=(0,-2,2)，点C到平面D1EF的距离为CD1⋅n|n|=45=455，故D正确.
故选：ACD．
11．（24-25高二上·江苏·假期作业）如图所示的空间几何体是由高度相等的半个圆柱和直三棱柱ABF-DCE组合而成，AB⊥AF，AB=AD=AF=4，G是CD上的动点．则（ ）
A．平面ADG⊥平面BCG
B．G为CD的中点时，BF//DG
C．存在点G，使得直线EF与AG的距离为25
D．存在点G，使得直线CF与平面BCG所成的角为60∘
【答案】AB
【分析】选项A，由DG⊥CG，AD⊥CG，可得CG⊥平面ADG，再由面面垂直的判定定理可作出判断；选项B，取AB的中点H，连接AH，GH，可证DG//AH，AH//BF，从而作出判断；选项C，先证EF//平面ADG，从而将原问题转化为求点F到平面ADG的距离，再以A为坐标原点建立空间直角坐标系，利用向量法求点到面的距离，即可作出判断；选项D，利用向量法求线面角，即可得解．
【详解】对于选项AA，由题意知，DG⊥CG，AD⊥平面CDG，
因为CG⊂平面CDG，所以AD⊥CG，
又DG∩AD=D，DG、AD⊂平面ADG，
所以CG⊥平面ADG，
因为CG⊂平面BCG，所以平面ADG⊥平面BCG，即选项A正确；
对于选项B，当G为CD的中点时，取AB的中点H，连接AH，GH，
则AD//GH，AD=GH，所以四边形ADGH是平行四边形，
所以DG//AH，
因为△ABF和△ABH都是等腰直角三角形，所以∠ABF=∠HAB=45∘，
所以AH//BF，所以BF//DG，即选项B正确；
对于选项C，因为EF//AD，且EF⊂平面ADG，AD⊂平面ADG，
所以EF//平面ADG，
所以直线EF与AG的距离等价于直线EF到平面ADG的距离，
也等价于点F到平面ADG的距离，
以A为坐标原点，AF，AB，AD所在直线分别为x，y，z轴建立如图所示的空间直角坐标系，
则F4,0,0，A0,0,0，D0,0,4，
设点G-m,n,4，其中0