题目内容
(本小题满分12分)如图,在棱长为1的正方体中,AP=BQ=b(0<b<1),截面PQEF∥,截面PQGH∥.
(Ⅰ)证明:平面PQEF和平面PQGH互相垂直;
(Ⅱ)证明:截面PQEF和截面PQGH面积之和是定值,
并求出这个值;
(Ⅲ)若,求与平面PQEF所成角的正弦值.
(Ⅰ)同解析(Ⅱ)截面PQEF和截面PQGH面积之和为,是定值.(Ⅲ).
解析:
解法一:
(Ⅰ)证明:在正方体中,,,
又由已知可得
,,,
所以,,
所以平面.
所以平面和平面互相垂直. 4分
(Ⅱ)证明:由(Ⅰ)知
,又截面PQEF和截面PQGH都是矩形,且PQ=1,所以截面PQEF和截面PQGH面积之和是
,是定值. 8分
(Ⅲ)解:设交于点,连结,
因为平面,
所以为与平面所成的角.
因为,所以分别为,,,的中点.
可知,.
所以. 12分
解法二:
以D为原点,射线DA,DC,DD′分别为x,y,z轴的正半轴建立如图的空间直角坐标系D-xyz.由已知得,故
,,,,
,,,
,,.
(Ⅰ)证明:在所建立的坐标系中,可得
,
,
.
因为,所以是平面PQEF的法向量.
因为,所以是平面PQGH的法向量.
因为,所以,
所以平面PQEF和平面PQGH互相垂直. 4分
(Ⅱ)证明:因为,所以,又,所以PQEF为矩形,同理PQGH为矩形.
在所建立的坐标系中可求得,,
所以,又,
所以截面PQEF和截面PQGH面积之和为,是定值. 8分
(Ⅲ)解:由(Ⅰ)知是平面的法向量.
由为中点可知,分别为,,的中点.
所以,,因此与平面所成角的正弦值等于
. 12分
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