题目内容

如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为4,点P从B点出发,在正方形BCC1B1的边上按逆针方向按如下规律运动:设第n次运动的路程为an,且an=cos
nπ2
+2
,第n次运动后P点所在位置为Pn,回到B点后不再运动.
(1)求二面角Pi-AC-B的余弦值;
(2)是否存在正整数i、j,使得直线PiPj与平面ACD1平行?若存在,找出所有符合条件的PiPj,并给出证明;若不存在,请说明理由.
分析:(1)先由an=cos
nπ
2
+2
求得当n=1、2、3、4、5、6、7、8时的an的值,找出对应的Pi(i=1,2,3,4,5,6,7,8)的位置,然后根据Pi的不同位置求解二面角Pi-AC-B的余弦值;
(2)由线面平行的判定定理,分析Pi(i=1,2,3,4,5,6,7,8)的8个点中有哪些点的连线能够与平面ACD1内的线平行,找出与平面ACD1内平行的线即可.
解答:解:(1)由an=cos
nπ
2
+2
,知:a1=a5=2,a2=a6=1,a3=a7=2,a4=a8=3.
当i=1、2、8时,点P1,P2,P8位于线段BC上,此时二面角Pi-AC-B的平面角为0°,所以,二面角的余弦值等于1;
当i=3、4时,P3、P4位于平面ACC1上,此时二面角Pi-AC-B的大小为90°,所以,二面角的余弦值等于0;
然后以D为原点,分别以DA,DC,DD1所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系.
当i=5或6时,点P5,P6位于线段C1B1上,此时P5(2,4,4),P6(3,4,4),A(4,0,0),C(0,4,0)
所以
AP5
=(-2,4,4),
CP5
=(2,0,4)
,
AP6
=(-1,4,4),
CP6
=(3,0,4)
,
设平面AP5C的法向量为
a
=(x1,y1,z1)
,平面AP6C的法向量为
c
=(x2,y2,z2)
,
由
a
•
AP5
=0
a
•
CP5
=0
⇒
-2x1+4y1+4z1=0
2x1+4z1=0
,取z1=1,得x1=-2,y1=-2,
所以
a
=(-2,-2,1)

由
c
•
AP6
=0
c
•
CP6
=0
⇒
-x2+4y2+4z2=0
3x2+4z2=0
,取z2=3,得x2=-4,y2=-4,
所以
c
=(-4,-4,3)
,
由题意知平面ABC的一个法向量为
b
=(0,0,1)
,
再设二面角P5-AC-B=α,二面角P6-AC-B=β,
所以cosα=
a
•
b
|
a
||
b
|
=
1
3
,cosβ=
b
•
c
|
b
||
c
|
=
3
41
=
3
41
41

当i=7时,P7在线段BB1上,取AC中点E,连接BE、P7E,则∠P7EB为二面角P7-AC-B的平面角,
在直角三角形P7BE中,BE=
1
2
BD=2
2
,P7B=
3
4
BB1=3
,所以P7E=
17
,所以cos∠P7EB=
2
34
17
.
(2)存在正整数i=2,j=3;i=4,j=8;i=6,j=7使得直线PiPj与平面ACD1平行,
∵P2P3,P4P8,P6P7均不在平面ACD1内,且都平行于AD1,而AD1?面ACD1,
根据线面平行的判定可得三条直线均平行于平面ACD1.
点评:本题考查了二面角的平面角的求法,考查了平面与平面垂直的性质及直线与平面平行的判定,考查了分析问题的能力和运算能力,是中档题.
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