題目列表(包括答案和解析)
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如圖,已知四棱錐
的底面ABCD為正方形,
平面ABCD,E、F分別是BC,PC的中點,
,
.
(1)求證:
平面
;
(2)求二面角
的大小.
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【解析】第一問利用線面垂直的判定定理和建立空間直角坐標系得到法向量來表示二面角的。
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第二問中,以A為原點,如圖所示建立直角坐標系
,,
設(shè)平面FAE法向量為
,則![]()
,
,
![]()
如圖,在四棱錐P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,AC⊥AD,AB⊥BC,∠BAC=45°,PA=AD=2,AC=1.
(Ⅰ)證明PC⊥AD;
(Ⅱ)求二面角A-PC-D的正弦值;
(Ⅲ)設(shè)E為棱PA上的點,滿足異面直線BE與CD所成的角為30°,求AE的長.
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【解析】解法一:如圖,以點A為原點建立空間直角坐標系,依題意得A(0,0,0),D(2,0,0),C(0,1,0),
,P(0,0,2).
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(1)證明:易得
,
于是
,所以![]()
(2)
,
設(shè)平面PCD的法向量
,
則
,即
.不防設(shè)
,可得
.可取平面PAC的法向量
于是
從而
.
所以二面角A-PC-D的正弦值為
.
(3)設(shè)點E的坐標為(0,0,h),其中
,由此得
.
由
,故
所以,
,解得
,即
.
解法二:(1)證明:由
,可得
,又由
,
,故
.又
,所以
.
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(2)如圖,作
于點H,連接DH.由
,
,可得
.
因此
,從而
為二面角A-PC-D的平面角.在
中,
,由此得
由(1)知
,故在
中,![]()
因此
所以二面角
的正弦值為
.
(3)如圖,因為
,故過點B作CD的平行線必與線段AD相交,設(shè)交點為F,連接BE,EF. 故
或其補角為異面直線BE與CD所成的角.由于BF∥CD,故
.在
中,
故![]()
![]()
在
中,由
,
,![]()
可得
.由余弦定理,
,
所以
.
在四棱錐
中,
平面
,底面
為矩形,
.
(Ⅰ)當
時,求證:
;
(Ⅱ)若
邊上有且只有一個點
,使得
,求此時二面角
的余弦值.
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【解析】第一位女利用線面垂直的判定定理和性質(zhì)定理得到。當a=1時,底面ABCD為正方形,![]()
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又因為
,
………………2分
又
,得證。
第二問,建立空間直角坐標系,則B(1,0,1)D(0,a,0)C(1,a,0)P(0,0,1)……4分
設(shè)BQ=m,則Q(1,m,0)(0《m《a》
要使
,只要![]()
所以
,即
………6分
由此可知
時,存在點Q使得![]()
當且僅當m=a-m,即m=a/2時,BC邊上有且只有一個點Q,使得![]()
由此知道a=2, 設(shè)平面POQ的法向量為![]()
,所以
平面PAD的法向量![]()
則
的大小與二面角A-PD-Q的大小相等所以![]()
因此二面角A-PD-Q的余弦值為![]()
解:(Ⅰ)當
時,底面ABCD為正方形,![]()
![]()
又因為
,
又![]()
………………3分
(Ⅱ) 因為AB,AD,AP兩兩垂直,分別以它們所在直線為X軸、Y軸、Z軸建立坐標系,如圖所示,
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則B(1,0,1)D(0,a,0)C(1,a,0)P(0,0,1)…………4分
設(shè)BQ=m,則Q(1,m,0)(0《m《a》要使
,只要![]()
所以
,即
………6分
由此可知
時,存在點Q使得![]()
當且僅當m=a-m,即m=a/2時,BC邊上有且只有一個點Q,使得
由此知道a=2,
設(shè)平面POQ的法向量為![]()
,所以
平面PAD的法向量![]()
則
的大小與二面角A-PD-Q的大小相等所以![]()
因此二面角A-PD-Q的余弦值為![]()
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