题目内容
如图,四棱锥S—ABCD中,平面SAC与底面ABCD垂直,侧棱SA、SB、SC与底面ABCD所成的角均为45°,AD∥BC,且AB=BC=2AD.(1)求证:四边形ABCD是直角梯形;
(2)求异面直线SB与CD所成角的大小;
(3)求直线AC与平面SAB所成角的大小.
![]()
解法一:(1)证明:作SO⊥AC交AC于点O,连结OB.
因为面SAC⊥面ABCD,所以SO⊥面ABCD.
因为侧棱SA、SB、SC与底面ABCD所成的角均为45°,所以∠SAO=∠SBO=∠SCO=45°.
所以△SAO≌△SBO≌△SCO.所以SA=SB=SC,OA=OB=OC.所以AC是△ABC外接圆的直径,所以AB⊥BC.又AD∥BC,AD≠BC,所以四边形ABCD是直角梯形。
(2)解:分别取BC中点M,SC中点N,连结AM、AN、MN,则MN∥SB.
又AD∥BC,AD=
BC=MC,所以,ADCM为平形四边形,所以AM∥BC.所以∠AMN是异面直线SB与CD所成的角.
由(1),△SAO、△SBO、△SCO是全等的等腰三角形,AB=BC.所以△SAC、△BAC是全等的等腰直角三角形.
设SO=a,则MN=
SB=
a,AM=
=
a.??
因为AM=AN,所以在等腰△AMN中,cOS∠AMN=
=
.?
所以异面直线SB与CD所成角为arccos
. ?
![]()
(3)解:取SB中点E,连结AE、CE、OE,由(2)知AE⊥SB,CE⊥SB,?
所以SB⊥平面AEC. ?
所以平面SAB⊥平面AEC,且交线就是AE.?
所以AC在平面SAB上的射影是AE.?
所以∠CAE是AC与平面SAB所成的角. ?
在等腰Rt△SOB中,E是SB的中点,?
所以OE=
SO=
AO.?
在Rt△AOE中,tan∠OAE=
=
,?
所以直线AC与平面SAB所成角的大小是arctan
.? ?
解法二:(1)证明:作SO⊥AC交AC于点O,连结OB.?
因为面SAC⊥面ABCD,所以SO⊥面ABCD. ?
因为侧棱SA、SB、SC与底面,ABCD所成的角均为45°,?
所以∠SAO=∠SBO=∠SCO=45°. ?
所以△SAO≌△SBO≌△SCO.?
所以SA=SB=SC,OA=OB=OC=OS.?
又AB=BC,所以OB⊥AC.?
以OA、OB、OS所在射线分别作为非负x轴、非负y轴、非负z轴建立空间直角坐标系.?
设OS=a,?
则A(a,0,0),B(0,a,0),C(-a,0,0),S(0,0,a). ?
所以
·
=(-a,a,0)·(-a,-a,0)=a2-a2=0.所以
⊥
,即AB⊥BC.?
又AD∥BC,AD≠BC,所以四边形ABCD是直角梯形.
?
(2)解:由(1),△SAO,△SBO,△SCO是全等的等腰直角三角形,?
所以△SAC,△BAC是全等的等腰直角三角形.?
则D(
a,-
a,0),
=(
a,-
a,0),
=(0,a,-a),?
cOS〈
,
〉=
=
=-
, ?
所以异面直线SB,CD所成角的大小是arccos
. ?
(3)解:设n=(x1,y1,z1)是平面SAB的法向量.?
则由
得
?
取x1=1,得n=(1,1,1),?
则cOS〈n,
〉=
=
. ?
设AC和面SAB所成角的大小为α,则cOSα=sin〈n,
〉=
,?
所以AC和面SAB所成角的大小是arccos
.