(2013•湖北)如圖,AB是圓O的直徑,點C是圓O上異于A,B的點,直線PC⊥平面ABC,E,F(xiàn)分別是PA,PC的中點.
(Ⅰ)記平面BEF與平面ABC的交線為l,試判斷直線l與平面PAC的位置關(guān)系,并加以證明;
(Ⅱ)設(shè)(Ⅰ)中的直線l與圓O的另一個交點為D,且點Q滿足
DQ
=
1
2
CP
.記直線PQ與平面ABC所成的角為θ,異面直線PQ與EF所成的角為α,二面角E-l-C的大小為β.求證:sinθ=sinαsinβ.
分析:(I)直線l∥平面PAC.連接EF,利用三角形的中位線定理可得,EF∥AC;利用線面平行的判定定理即可得到EF∥平面ABC.由線面平行的性質(zhì)定理可得EF∥l.再利用線面平行的判定定理即可證明直線l∥平面PAC.
(II)綜合法:利用線面垂直的判定定理可證明l⊥平面PBC.連接BE,BF,因為BF?平面PBC,所以l⊥BC.故∠CBF就是二面角E-l-C的平面角,即∠CBF=β.
已知PC⊥平面ABC,可知CD是FD在平面ABC內(nèi)的射影,故∠CDF就是直線PQ與平面ABC所成的角,即∠CDF=θ.由BD⊥平面PBC,有BD⊥BF,知∠BDF=α,分別利用三個直角三角形的邊角關(guān)系即可證明結(jié)論;
向量法:以點C為原點,向量
CA
CB
,
CP
所在直線分別為x,y,z軸,建立如圖所示的空間直角坐標系,利用兩個平面的法向量的夾角即可得出二面角.
解答:解:(Ⅰ)直線l∥平面PAC,證明如下:
連接EF,因為E,F(xiàn)分別是PA,PC的中點,所以EF∥AC,
又EF?平面ABC,且AC?平面ABC,所以EF∥平面ABC.
而EF?平面BEF,且平面BEF∩平面ABC=l,所以EF∥l.
因為l?平面PAC,EF?平面PAC,所以直線l∥平面PAC.
(Ⅱ)(綜合法)如圖1,連接BD,由(Ⅰ)可知交線l即為直線BD,且l∥AC.
因為AB是⊙O的直徑,所以AC⊥BC,于是l⊥BC.
已知PC⊥平面ABC,而l?平面ABC,所以PC⊥l.
而PC∩BC=C,所以l⊥平面PBC.
連接BE,BF,因為BF?平面PBC,所以l⊥BF.
故∠CBF就是二面角E-l-C的平面角,即∠CBF=β.
DQ
=
1
2
CP
,作DQ∥CP,且DQ=
1
2
CP

連接PQ,DF,因為F是CP的中點,CP=2PF,所以DQ=PF,
從而四邊形DQPF是平行四邊形,PQ∥FD.
連接CD,因為PC⊥平面ABC,所以CD是FD在平面ABC內(nèi)的射影,
故∠CDF就是直線PQ與平面ABC所成的角,即∠CDF=θ.
又BD⊥平面PBC,有BD⊥BF,知∠BDF=α,
于是在Rt△DCF,Rt△FBD,Rt△BCF中,分別可得sinθ=
CF
DF
,sinα=
BF
DF
,sinβ=
CF
BF
,
從而sinαsinβ=
CF
BF
BF
DF
=
CF
DF
=sinθ,即sinθ=sinαsinβ

(Ⅱ)(向量法)如圖2,由
DQ
=
1
2
CP
,作DQ∥CP,且DQ=
1
2
CP

連接PQ,EF,BE,BF,BD,由(Ⅰ)可知交線l即為直線BD.
以點C為原點,向量
CA
CB
,
CP
所在直線分別為x,y,z軸,建立如圖所示的空間直角坐標系,設(shè)CA=a,CB=b,CP=2c,則有C(0,0,0),A(a,0,0),B(0,b,0),P(0,0,2c),Q(a,b,c),E(
1
2
a,0,c),F(xiàn)(0,0,c)

于是
FE
=(
1
2
a,0,0),
QP
=(-a,-b,c),
BF
=(0,-b,c)

cosα=
FE
QP
|
FE
| •|
QP
|
=
a
a2+b2+c2
,從而sinα=
1-cos2α
=
b2+c2
a2+b2+c2
,
又取平面ABC的一個法向量為
m
=(0,0,1)
,可得sinθ=
|
m
QP
|
|
m
|•|
QP
|
=
c
a2+b2+c2
,
設(shè)平面BEF的一個法向量為
n
=(x,y,z)

所以由
n
FE
=0
n
BF
=0.
可得
1
2
ax=0
-by+cz=0.
n
(0,c,b)

于是|cosβ|=
|
m
n
|
|
m
|•|
n
|
=
b
b2+c2
,從而sinβ=
1-cos2β
=
c
b2+c2

sinαsinβ=
b2+c2
a2+b2+c2
c
b2+c2
=
c
a2+b2+c2
=sinθ
,即sinθ=sinαsinβ.
點評:本題綜合考查了線面平行的判定定理和性質(zhì)定理、線面垂直的判定與性質(zhì)定理、平行四邊形的判定與性質(zhì)定理、線面角、二面角、異面直線所成的角、通過建立空間直角坐標系利用法向量的夾角求二面角等基礎(chǔ)知識與方法,需要較強的空間想象能力、推理能力和計算能力.
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n(n+1)
2
=
1
2
n2+
1
2
n
.記第n個k邊形數(shù)為N(n,k)(k≥3),以下列出了部分k邊形數(shù)中第n個數(shù)的表達式:
三角形數(shù)N(n,3)=
1
2
n2+
1
2
n
,
正方形數(shù)N(n,4)=n2,
五邊形數(shù)N(n,5)=
3
2
n2-
1
2
n
,
六邊形數(shù)N(n,6)=2n2-n,

可以推測N(n,k)的表達式,由此計算N(10,24)=
1000
1000

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mn
,△BDM和△ABN的面積分別為S1和S2
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(Ⅰ)證明:中截面DEFG是梯形;
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13
(d1+d2+d3)S,試判斷V與V的大小關(guān)系,并加以證明.

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