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09立体几何初步★★★★☆
已知二面角 α−l−β\alpha - l - \beta 的大小为 50∘50^{\circ},PP 为空间中任意一点,则过点 PP 且与平面 α\alpha 和平面 β\beta 所成的角都是 25∘25^{\circ} 的直线的条数为( )
\begin{answer} B \end{answer}
\begin{solution} 以交线 ll 为 zz 轴,在垂直于 ll 的截面内取平面 α\alpha 的方向为方位角 00,平面 β\beta 的方向为方位角 50∘50^{\circ}. 设所求直线的一个单位方向向量为 u=(ρcos⁡ψ,ρsin⁡ψ,η)\boldsymbol{u}=(\rho\cos\psi,\rho\sin\psi,\eta),ρ⩾0\rho\geqslant0,ρ2+η2=1\rho^{2}+\eta^{2}=1 其中 ψ\psi 按 180∘180^{\circ} 计. 直线与平面的夹角等于方向向量与平面法向量夹角的余角,因此
sin⁡25∘=ρ∣sin⁡ψ∣且sin⁡25∘=ρ∣sin⁡(ψ−50∘)∣\sin25^{\circ}=\rho|\sin\psi| \quad\text{且}\quad \sin25^{\circ}=\rho|\sin(\psi-50^{\circ})|
于是
∣sin⁡ψ∣=∣sin⁡(ψ−50∘)∣|\sin\psi|=|\sin(\psi-50^{\circ})|
从而 ψ=25∘\psi=25^{\circ} 或 ψ=115∘\psi=115^{\circ}(按 180∘180^{\circ} 计).
当 ψ=25∘\psi=25^{\circ} 时,ρ=1\rho=1,所以 η=0\eta=0,得到 1 条直线;当 ψ=115∘\psi=115^{\circ} 时,
ρ=sin⁡25∘sin⁡115∘=sin⁡25∘sin⁡65∘<1\rho=\frac{\sin25^{\circ}}{\sin115^{\circ}} =\frac{\sin25^{\circ}}{\sin65^{\circ}}<1
此时 η=±1−ρ2\eta=\pm\sqrt{1-\rho^{2}},得到 2 条不同的直线. 因此直线共有 1+2=31+2=3 条,选 B. \end{solution}
A.
2
B.
3
C.
4
D.
5

2009 · 重庆 · 理 · 第 9 题 · 选择题

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19立体几何初步★★★★☆
如图,在四棱锥 S−ABCDS - ABCD 中,AD∥BCAD \parallel BC 且 AD⊥CDAD \perp CD;平面 CSD⊥CSD \perp 平面 ABCDABCD,CS⊥DSCS \perp DS,CS=2AD=2CS = 2AD = 2,EE 为 BSBS 的中点,CE=2CE = \sqrt{2},AS=3AS = \sqrt{3}. 求:
(1) 点 AA 到平面 BCSBCS 的距离; (2) 二面角 E−CD−AE - CD - A 的大小.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由平面 CSD⊥CSD\perp 平面 ABCDABCD,且两平面的交线为 CDCD,又 AD⊥CDAD\perp CD,得 AD⊥AD\perp 平面 CSDCSD. 因而
AS2=AD2+DS2AS^{2}=AD^{2}+DS^{2}
从而 DS=3−1=2DS=\sqrt{3-1}=\sqrt2. 在直角三角形 CSDCSD 中,CS⊥DSCS\perp DS,故
CD2=CS2+DS2=4+2=6CD^{2}=CS^{2}+DS^{2}=4+2=6
建立直角坐标系,取 C=(0,0,0)C=(0,0,0),D=(6,0,0)D=(\sqrt6,0,0),A=(6,1,0)A=(\sqrt6,1,0). 令平面 CSDCSD 为 y=0y=0,由 CS=2CS=2,DS=2DS=\sqrt2 解得
S=(263,0,233)S=\left(\frac{2\sqrt6}{3},0,\frac{2\sqrt3}{3}\right)
设 B=(0,t,0)B=(0,t,0). 由四边形顶点顺序取 t>0t>0. 因 EE 为 BSBS 的中点,
E=(63,t2,33)E=\left(\frac{\sqrt6}{3},\frac t2,\frac{\sqrt3}{3}\right)
由 CE=2CE=\sqrt2 得
1+t24=21+\frac{t^2}{4}=2
故 t=2t=2,即 B=(0,2,0)B=(0,2,0). 平面 BCSBCS 的方程为
x−2z=0x-\sqrt2z=0
所以点 AA 到该平面的距离为
∣6∣1+2=2\frac{|\sqrt6|}{\sqrt{1+2}}=\sqrt2
\item 平面 ACDACD 为 z=0z=0,可取其法向量 n1=(0,0,1)\boldsymbol{n}_1=(0,0,1). 又 CD→=(6,0,0)\overrightarrow{CD}=(\sqrt6,0,0),CE→=(63,1,33)\overrightarrow{CE}=\left(\frac{\sqrt6}{3},1,\frac{\sqrt3}{3}\right), 故平面 ECDECD 的法向量可取
n2=CD→×CE→=(0,−2,6)\boldsymbol{n}_2=\overrightarrow{CD}\times\overrightarrow{CE} =\left(0,-\sqrt2,\sqrt6\right)
二面角取锐角 θ\theta,则
cos⁡θ=∣n1⋅n2∣∣n1∣∣n2∣=62+6=32\cos\theta=\frac{|\boldsymbol{n}_1\cdot\boldsymbol{n}_2|}{|\boldsymbol{n}_1||\boldsymbol{n}_2|} =\frac{\sqrt6}{\sqrt{2+6}}=\frac{\sqrt3}{2}
因此 θ=π6\theta=\frac{\pi}{6}. \end{enumerate} \end{solution}

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