Question

如圖：長為3的線段PQ與邊長為2的正方形ABCD垂直相交于其中心O（PO＞OQ）．
（1）若二面角P-AB-Q的正切值為-3，試確定O在線段PQ的位置；
（2）在（1）的前提下，以P，A，B，C，D，Q為頂點(diǎn)的幾何體PABCDQ是否存在內(nèi)切球？若存在，試確定其內(nèi)切球心的具體位置；若不存在，請說明理由．

Answer 1

分析：（1）取線段AB的中點(diǎn)為點(diǎn)E，連接PE，OE，可以證明，∠PEQ為二面角P-AB-Q的平面角，且tan∠PEQ=-3．將∠PEQ 看作∠PEQ與∠QEO之和．設(shè)OP=x，利用兩角和的正切公式，建立關(guān)于x的方程并解出即可．
（2）若設(shè)線段CD的中點(diǎn)為點(diǎn)F，由對稱性可知：平面四邊形PEQF的內(nèi)切圓的圓心為O′，半徑即為r，利用分割面積法可以求出r的值，O′在PQ上．在四邊形PEQF中利用平面幾何知識確定出內(nèi)切球心的具體位置．

解答：解：（1）取線段AB的中點(diǎn)為點(diǎn)E，
連接PE，OE，QE．由于四邊形ABCD是正方形，O為其中心，所以O(shè)E⊥AB，
又PO⊥面ABCD AB?面ABCD，所以PO⊥AB，
而 OE∩AB=O，所以AB⊥面PEO，PE?面PEO，所以AB⊥PE，
同理可以證出AB⊥QE，∴∠PEQ為二面角P-AB-Q的平面角，tan∠PEQ=-3．
設(shè)∠PEQ=α，∠QEO=β，OP=x，則OQ=3-x．且OE=1
在RT△PEO中，tanα=

OP

OE

=x，
同理在RT△QEO中，tanβ=

OQ

OE

=3-x
由tan∠PEQ=tan（α+β）=

tanα+tanβ

1-tanαtanβ

=

3

1-x(3-x)

=-3，
得：x²-3x+2=0
∵PO＞OQ∴OP=x=2
故O在線段PQ上的靠近Q點(diǎn)的三分點(diǎn)位置；
（2）幾何體PABCDQ存在內(nèi)切球，令球心為O^′，
若設(shè)線段CD的中點(diǎn)為點(diǎn)F，內(nèi)切球的半徑為r，由對稱性可知：平面四邊形PEQF的內(nèi)切圓的圓心為O′，半徑即為r，
故S_PEQF=

1

2

EF•PQ=

1

2

r（2PE+2QE），而PE=

PO2+OE2

=

5

，QE=

QO2+OE2

=

2

．
所以

1

2

×2×3=

1

2

r（2

5

+2

2

），得r=

5

-

2

．
由三角形相似有：

r

PO′

=sin∠EPO=

OE

PE

=

1

5

=

5

5

所以PO′=

5

r=5-

10

．故其內(nèi)切球心O′在點(diǎn)P距離為5-

10

 的位置上．
（注：也可用分割體積法求r）

點(diǎn)評：本題考查了二面角的定義，度量，方程思想．還考查了組合體的幾何性質(zhì)，面積（體積）分割的思想．本題中的幾何體實(shí)際上是由兩個同底不等高的正四棱錐組合而成．