如图所示,圆锥的轴截面是等腰直角 $\triangle SAB$,$O$ 为底面圆心,点 $C$ 在底面圆周上,若 $\overparen{AC}=2\overparen{CB}$,则 $SA$ 与 $OC$ 的夹角的余弦值为 .
【难度】
【出处】
全国高中数学联赛模拟试题(23)
【标注】
【答案】
$\frac{\sqrt{2}}{4}$
【解析】
(法一)如图4所示,在 $\overparen{AC}$ 上取点 $D$,使得 $\overparen{AD}=\overparen{CD}$,则 $C,D$ 是半圆 $\overparen{ACB}$ 的两个,三等分点.由圆周角定理,知 $\angle BAD = \frac{1}{2}\angle BOD= \angle BOC$,故 $OC\varparallel AD$.所以 $\angle SAD$ 等 于 $SA$ 与 $OC$ 的夹角.
由 $\overparen{AD}$ 是圆周的 $\frac{1}{6}$,知 $AD=OA=\frac{\sqrt{2}}{2}SA$.从而,在等腰 $\triangle SAD$ 中,有$$\cos\angle SAD=\frac{\frac{1}{2}AD}{SA}=\frac{\sqrt{2}}{4}.$$(法二)建立空间直角坐标系,使得 $O,B,A,S$ 的坐标分别为 $(0,0,0), (0,1,0), (0,-1,0),(0,0,1)$,
则 $C$ 的坐标为 $\left(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2},0\right)$,且 $\overrightarrow{AS}=(0,1,1), \overrightarrow{OC}=\left(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2},0\right)$.
记 $SA$ 与 $OC$ 的夹角为 $\theta$,则$$\cos\theta=\frac{\overrightarrow{AS}\cdot \overrightarrow{OC}}{|\overrightarrow{AS}|\cdot |\overrightarrow{OC}|}=\frac{0+\frac{1}{2}+0}{\sqrt{0+1+1}\cdot \sqrt{\frac{3}{4}+\frac{1}{4}+0}}=\frac{\sqrt{2}}{4}.$$
由 $\overparen{AD}$ 是圆周的 $\frac{1}{6}$,知 $AD=OA=\frac{\sqrt{2}}{2}SA$.从而,在等腰 $\triangle SAD$ 中,有$$\cos\angle SAD=\frac{\frac{1}{2}AD}{SA}=\frac{\sqrt{2}}{4}.$$(法二)建立空间直角坐标系,使得 $O,B,A,S$ 的坐标分别为 $(0,0,0), (0,1,0), (0,-1,0),(0,0,1)$,
则 $C$ 的坐标为 $\left(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2},0\right)$,且 $\overrightarrow{AS}=(0,1,1), \overrightarrow{OC}=\left(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2},0\right)$.
记 $SA$ 与 $OC$ 的夹角为 $\theta$,则$$\cos\theta=\frac{\overrightarrow{AS}\cdot \overrightarrow{OC}}{|\overrightarrow{AS}|\cdot |\overrightarrow{OC}|}=\frac{0+\frac{1}{2}+0}{\sqrt{0+1+1}\cdot \sqrt{\frac{3}{4}+\frac{1}{4}+0}}=\frac{\sqrt{2}}{4}.$$
题目
答案
解析
备注