题目内容

如图1,已知的直径,点、为上两点,且,,为弧的中点.将沿直径折起,使两个半圆所在平面互相垂直(如图2).

(Ⅰ)求证:;

(Ⅱ)在弧上是否存在点,使得平面?若存在,试指出点的位置;若不存在,请说明理由;

(Ⅲ)求二面角的正弦值.

 

【答案】

(Ⅰ)详见解析;(Ⅱ)在弧上存在点,使得平面,且点为弧的中点;(Ⅲ);

【解析】

试题分析:(1)以O为坐标原点,以AB所在直线为y轴,以OC所在直线为z轴建立空间直角坐标系,求出向量与的坐标,利用向量共线的坐标表示求证OF∥AC,从而说明线面平行;(2)假设在弧上存在点G,使得FG∥平面ACD,根据(1)中的结论,利用两面平行的判定定理得到平面OFG∥平面ACD,从而得到OG∥AD,利用共线向量基本定理得到G的坐标(含有参数),然后由向量的模等于圆的半径求出G点坐标;(3)根据,∠DAB=60°求出D点坐标,然后求出平面ACD的一个法向量,找出平面ADB的一个法向量,利用两平面法向量所成角的余弦值求解二面角C-AD-B的余弦值.
试题解析:(法一):证明:(Ⅰ)连接,

,,

又为弧的中点,,.

(Ⅱ)取弧的中点,连接,

则,故

由(Ⅰ),知平面,故平面平面,

则平面,因此,在弧上存在点,使得平面,且点为弧的中点.

(Ⅲ)过作于,连.

因为,平面平面,故平面.

又因为平面,故,所以平面,,

则是二面角的平面角,又,,故.

由平面,平面,得为直角三角形,

又,故,可得==,故二面角的正弦值为.

(法二):证明:(Ⅰ)如图,以所在的直线为轴,以所在的直线为轴,以为原点,作空间直角坐标系,则,

,

点为弧的中点,点的坐标为,

,,即.

(Ⅱ)设在弧上存在点,使得平面,

由(Ⅰ),知平面,平面平面,则有.

设,,.又,

,解得(舍去).,则为弧的中点.

因此,在弧上存在点,使得平面,且点为弧的中点.

(Ⅲ),点的坐标,.

设二面角的大小为,为平面的一个法向量.

由有即

取,解得,.,取平面的一个法向量,

,故二面角的正弦值为.

考点:1.空间中直线与直线位置关系的判定;2.直线与平面平行的判定;3.二面角的平面角及求法..

 

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