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19立体几何初步★★★★☆
如图,四棱锥 P−ABCDP - ABCD 中,PA⊥PA \perp 底面 ABCDABCD,BC=CD=2BC = CD = 2,AC=4AC = 4,∠ACB=∠ACD=π3\angle ACB = \angle ACD = \frac{\pi}{3},FF 为 PCPC 的中点,AF⊥PBAF \perp PB.
(1) 求 PAPA 的长; (2) 求二面角 B−AF−DB - AF - D 的正弦值.
\begin{solution} 建立空间直角坐标系,使底面 ABCDABCD 在 xOyxOy 平面内,取 A(0,0,0)A(0,0,0),C(4,0,0)C(4,0,0),B(3,3,0)B(3,\sqrt{3},0),D(3,−3,0)D(3,-\sqrt{3},0). 这些坐标满足 BC=CD=2BC=CD=2、AC=4AC=4,且 ∠ACB=∠ACD=π3\angle ACB=\angle ACD=\frac{\pi}{3}. 由 PA⊥PA\perp 底面,设 P(0,0,h)P(0,0,h),其中 h=PA>0h=PA>0. 因为 FF 是 PCPC 的中点,所以 F(2,0,h2)F\left(2,0,\frac{h}{2}\right),AF→=(2,0,h2)\overrightarrow{AF}=\left(2,0,\frac{h}{2}\right),PB→=(3,3,−h)\overrightarrow{PB}=(3,\sqrt{3},-h).
\begin{enumerate} \item 由 AF⊥PBAF\perp PB,得
AF→⋅PB→=2×3+h2(−h)=0\overrightarrow{AF}\cdot\overrightarrow{PB}=2\times3+\frac{h}{2}(-h)=0
即 6−h22=06-\frac{h^{2}}{2}=0. 因 h>0h>0,所以 PA=h=23PA=h=2\sqrt{3}.
\item 此时 F=(2,0,3)F=(2,0,\sqrt{3}),从而 AF→=(2,0,3)\overrightarrow{AF}=(2,0,\sqrt{3}),AB→=(3,3,0)\overrightarrow{AB}=(3,\sqrt{3},0),AD→=(3,−3,0)\overrightarrow{AD}=(3,-\sqrt{3},0). 取平面 BAFBAF 和 DAFDAF 的法向量
nB=AF→×AB→=(−3,33,23)\boldsymbol{n}_B=\overrightarrow{AF}\times\overrightarrow{AB}=(-3,3\sqrt{3},2\sqrt{3})
nD=AF→×AD→=(3,33,−23)\boldsymbol{n}_D=\overrightarrow{AF}\times\overrightarrow{AD}=(3,3\sqrt{3},-2\sqrt{3})
于是 nB⋅nD=6\boldsymbol{n}_B\cdot\boldsymbol{n}_D=6,∣nB∣=∣nD∣=48=43|\boldsymbol{n}_B|=|\boldsymbol{n}_D|=\sqrt{48}=4\sqrt{3}. 设二面角 B−AF−DB-AF-D 的平面角为 φ\varphi,则
∣cos⁡φ∣=∣nB⋅nD∣∣nB∣∣nD∣=648=18|\cos\varphi|=\frac{|\boldsymbol{n}_B\cdot\boldsymbol{n}_D|}{|\boldsymbol{n}_B||\boldsymbol{n}_D|}=\frac{6}{48}=\frac18
所以
sin⁡φ=1−164=378\sin\varphi=\sqrt{1-\frac{1}{64}}=\frac{3\sqrt{7}}{8}
\end{enumerate} \end{solution}

2013 · 重庆 · 理 · 第 19 题 · 解答题

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