题目内容

如图,四面体ABCD中,O是BD的中点,△ABD和△BCD均为等边三角形,AB=2,AC=
6
.
(I)求证:AO⊥平面BCD;
(Ⅱ)求二面角A-BC-D的余弦值;
(Ⅲ)求O点到平面ACD的距离.
解法一:(I)证明:连接OC,△ABD为等边三角形,O为BD的中点,∴AO⊥BD,∵△ABD和△CBD为等边三角形,O为BD的中点,AB=2,AC=
6
,∴AO=CO-
3
.
在△AOC中,∵AO2+CO2=AC2,∴∠AOC=90°,即AO⊥AC.∵BD∩OC=0,AD⊥面BCD.
(Ⅱ)
过O作OE⊥BC于E,连接AE,
∵AO⊥平面BCD,
∴AE在平面BCD上的射影为OE
∴AE⊥BC∴∠AEO为二面角A-BC-D的平角.
在Rt△AEO中,AO=
3
,OE=
3
2
,tan∠AEO=
AO
OE
=2,cos∠AEO=
5
5

∴二面角A-BC-D的余弦值为
5
5

(Ⅲ)设点O到平面ACD的距离为h,
∵VO-ACD=VA-OCD,
∴
1
3
S△ACD•h=
1
3
S△OCD•AO

在△ACD中,AD=CD=2,AC=
6
,S△ACD=
1
2
6
•
22-(
6
2
)
2
=
15
2

而AO=
3
,S△OCD=
3
2
,∴h=
S△OCD
S△ACD
•AO=
15
5
∴点O到平面ACD的距离为
15
5
.
解法二:(I)同解法一.
(Ⅱ)以O为原点,如图建立空间直角坐标系,
则
O(0,0,0),A(0,0
3
)
B(0,1,0),C(
3
,0,0),D(0,-1,0)

∵AO⊥平面BCD,
∴平面BCD的法向量
AO
=(0,0,
3
)

设平面ABC的法向量
n
=(x,y,z)
,
AB
=(0,1,-
3
),
BC
=(
3
,-1,0)

由
n
•
AB
=0
n
•
BC
=0
⇒
y-
3
z=0
3
x-y=0
⇒
n
=(1,
3
,1)

设
n
与
AO
夹角为θ,则|cosθ|=|
n
•
AO
|
n
|•|
AO
|
|=
5
5

∴二面角A-BC-D的余弦值为
5
5
.
(Ⅲ)设平面ACD的法向量为
m
=(x,y,z)
,又
DA
=(0,1,
3
),
DC
=(
3
,1,0)
m
•
DA
=0
m
•
DC
⇒
y+
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