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19立体几何初步★★★☆☆
在三棱锥 S−ABCS-ABC 中,如图,∠SAB=∠SAC=∠ACB=90∘\angle SAB=\angle SAC=\angle ACB=90^{\circ},AC=2AC=2,BC=13BC=\sqrt{13},SB=29SB=\sqrt{29}.
(1) 证明:SC⊥BCSC\perp BC; (2) 求侧面 SBCSBC 与底面 ABCABC 所成的二面角大小; (3) 求异面直线 SCSC 与 ABAB 所成的角的大小(用反三角函数表示).
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由 ∠SAB=∠SAC=90∘\angle SAB=\angle SAC=90^{\circ},且直线 ABAB,ACAC 在平面 ABCABC 内相交于 AA,可知 SA⊥平面 ABCSA\perp\text{平面 }ABC. 取直角坐标系,使 A=(0,0,0)A=(0,0,0),C=(2,0,0)C=(2,0,0),B=(2,13,0)B=(2,\sqrt{13},0),则由 SB=29SB=\sqrt{29} 得 S=(0,0,h)S=(0,0,h),且 4+13+h2=294+13+h^{2}=29,所以 h=23h=2\sqrt{3}. 因此 SC→=(2,0,−23)\overrightarrow{SC}=(2,0,-2\sqrt{3}),BC→=(0,−13,0)\overrightarrow{BC}=(0,-\sqrt{13},0),从而 SC→⋅BC→=0\overrightarrow{SC}\cdot\overrightarrow{BC}=0,故 SC⊥BCSC\perp BC. \item 由第(1)问,直线 SCSC 垂直于棱 BCBC,而直线 ACAC 也垂直于 BCBC,所以侧面 SBCSBC 与底面 ABCABC 所成的二面角等于 ∠ACS\angle ACS. 又 CA→=(−2,0,0)\overrightarrow{CA}=(-2,0,0),CS→=(−2,0,23)\overrightarrow{CS}=(-2,0,2\sqrt{3}),故 ∣CA∣=2\lvert CA\rvert=2,∣CS∣=4\lvert CS\rvert=4,且 CA→⋅CS→=4\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CS}=4. 因而 cos⁡∠ACS=42×4=12\cos\angle ACS=\dfrac{4}{2\times4}=\dfrac12,所以二面角大小为 π3\dfrac{\pi}{3}. \item 直线 SCSC 与 ABAB 的方向向量可分别取 CS→=(−2,0,23)\overrightarrow{CS}=(-2,0,2\sqrt{3}) 和 AB→=(2,13,0)\overrightarrow{AB}=(2,\sqrt{13},0). 两向量的数量积为 −4-4,长度分别为 44 和 17\sqrt{17}. 设异面直线所成的锐角为 φ\varphi,则 cos⁡φ=∣−4∣417=117\cos\varphi=\dfrac{\lvert-4\rvert}{4\sqrt{17}}=\dfrac{1}{\sqrt{17}},所以 φ=arccos⁡117=arctan⁡4\varphi=\arccos\dfrac{1}{\sqrt{17}}=\arctan4. \end{enumerate} \end{solution}

2002 · 京蒙皖 · 春季 · 理 · 第 19 题 · 解答题

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