(本小題13分) 如圖所示, PQ為平面的交線, 已知二面角為直二面角,  , ∠BAP=45°.

(1)證明: BCPQ;

(2)設(shè)點(diǎn)C在平面內(nèi)的射影為點(diǎn)O, 當(dāng)k取何值時(shí), O在平面ABC內(nèi)的射影G恰好為△ABC的重心?

(3)當(dāng)時(shí), 求二面角BACP的大小.

 

【答案】

(1)證明見解析

(2)k=1

(3)

【解析】(1)在平面內(nèi)過(guò)點(diǎn)CCEPQ于點(diǎn)E, 由題知點(diǎn)E與點(diǎn)A不重合, 連接EB.

     , 即點(diǎn)C在平面內(nèi)的射影為點(diǎn)E,

所以.

.

      , 故  BEPQ, 又

, ,

      平面EBC, 故BCPQ.

(2)由(1)知, O點(diǎn)即為E點(diǎn), 設(shè)點(diǎn)FO在平面ABC內(nèi)的射影, 連  接BF并延長(zhǎng)交AC于點(diǎn)D, 由題意可知, 若F是△ABC的重心, 則點(diǎn)DAC的中點(diǎn).

, 平面角為直二面角, , 由三垂線定理可知ACBF, 即ACBD, , 即k=1;反之, 當(dāng)k=1時(shí), 三棱錐OABC為正三棱錐, 此時(shí), 點(diǎn)O在平面ABC內(nèi)的射影恰好為△ABC的重心.

(3)由(2)知, 可以O為原點(diǎn), 以OBOA、OC所在的直線為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標(biāo)系Oxyz(如圖所示) 

不妨設(shè), 在RtOAB中, ∠ABO=∠BAO=45°, 所以BOAO, 由CACBkAB得, AC=2, , 則.

所以

設(shè)是平面ABC的一個(gè)法向量, 由

x=1, 得

易知是平面的一個(gè)法向量,

設(shè)二面角BACP的平面角為, 所以, 由圖可知,

二面角BACP的大小為.

 

 

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