如图,在四面体 $ ABOC $ 中,$OC \perp OA$,$OC \perp OB$,$\angle AOB = {120^\circ}$,且 $OA = OB = OC = 1$.

【难度】
【出处】
2010年高考湖北卷(理)
【标注】
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设为 $P$ 为 $AC$ 的中点,证明:在 $AB$ 上存在一点 $Q$,使 $PQ \perp OA$,并计算 $\dfrac{AB}{AQ}$ 的值;标注答案解析解法一:如图,在平面 $OAB$ 内作 $ON \perp OA$ 交 $AB$ 于 $N$,连接 $NC$.
又 $OA \perp OC$,$ \therefore $ $ OA \perp 平面ONC$,
$ \because $ $ NC \subset 平面ONC$,$\therefore OA \perp NC$.
取 $Q$ 为 $AN$ 的中点,则 $PQ\parallel NC$,$\therefore PQ \perp OA$.
在等腰 $\triangle AOB$ 中,$\angle AOB = {120^ \circ }$,$\therefore \angle OAB = \angle OBA = {30^ \circ }$.
在 ${\mathrm{Rt}}\triangle AON$ 中,$\angle OAN = 30^\circ$,$\therefore ON = \dfrac{1}{2}AN = AQ$,
在 $\triangle ONB$ 中,$\angle NOB = {120^ \circ } - {90^ \circ } = {30^ \circ } = \angle NBO$,
$\therefore NB = ON = AQ$.$\therefore \dfrac{AB}{AQ} = 3$.
解法二:作 $ ON\perp AB$ 于点 $N$,取 $O$ 为坐标原点,分别以 $OA$,$ON$,$OC$ 所在的直线为 $x$ 轴,$y$ 轴,$z$ 轴,建立空间直角坐标系 $O - xyz$(如图所示),则 $A\left(1,0,0\right),C\left(0,0,1\right),B\left( - \dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt 3 }{2},0\right)$,
$\because P$ 为 $AC$ 中点,$\therefore P\left(\dfrac{1}{2},0,\dfrac{1}{2}\right)$,
设 $\overrightarrow {AQ} = \lambda \overrightarrow {AB} \left(\lambda \in \left(0,1\right)\right)$,$ \because $ $ \overrightarrow {AB} = \left( - \dfrac{3}{2},\dfrac{\sqrt 3 }{2},0\right)$.
所以\[ \begin{split}\overrightarrow {OQ} = \overrightarrow {OA} + \overrightarrow {AQ} = \left(1,0,0\right) + \lambda \left( - \dfrac{3}{2},\dfrac{\sqrt 3 }{2},0\right) = \left(1 - \dfrac{3}{2}\lambda ,\dfrac{\sqrt 3 }{2}\lambda ,0\right),\end{split}\]所以\[ \begin{split}\overrightarrow {PQ} = \overrightarrow {OQ} - \overrightarrow {OP} = \left(\dfrac{1}{2} - \dfrac{3}{2}\lambda ,\dfrac{\sqrt 3 }{2}\lambda , - \dfrac{1}{2}\right).\end{split}\]$ \because $ $ PQ \perp OA$,$ \therefore $ $\overrightarrow {PQ} \cdot\overrightarrow {OA} = 0$,即 $\dfrac{1}{2} - \dfrac{3}{2}\lambda = 0$,$\lambda = \dfrac{1}{3}$.
所以存在点 $Q\left(\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt 3 }{6},0\right)$ 使得 $PQ \perp OA$ 且 $\dfrac{AB}{AQ} = 3$. -
求二面角 $O - AC - B$ 的平面角的余弦值.标注答案解析解法一:如图,连接 $ PN $,$ PO $.
由 $ OC \perp OA $,$ OC \perp OB $ 知:$ OC \perp 平面OAB $.
又 $ ON \subset 平面OAB $,$\therefore $ $ OC \perp ON $.
又由 $ ON \perp OA $ 知:$ ON \perp 平面AOC $.
$\because$ $AC \subset 平面 AOC$,$\therefore$ $ON \perp AC$.
在等腰 $ {\mathrm{Rt}}\triangle COA $ 中,$ P $ 为 $ AC $ 的中点,$\therefore $ $ AC \perp OP $.
$\therefore$ $AC \perp 平面 ONP$,知:$ AC \perp NP $.
$\therefore $ $\angle OPN$ 为二面角 $ O-AC-B $ 的平面角.
在等腰 $ {\mathrm{Rt}}\triangle COA $ 中,$ OC=OA=1 $,$\therefore $ $OP= \dfrac{\sqrt 2 }{2}$.
在 $ {\mathrm{Rt}}\triangle AON $ 中,$ON=OA \tan {30^ \circ } =\dfrac{\sqrt 3 }{3}$,
$\therefore $ 在 $ {\mathrm{Rt}}\triangle PON $ 中,$PN= \dfrac{{\sqrt {30} }}{6}$,所以\[\cos \angle OPN = \dfrac{OP}{PN} = \dfrac{{\dfrac{\sqrt 2 }{2}}}{{\dfrac{{\sqrt {30} }}{6}}} = \dfrac{{\sqrt {15} }}{5}.\]解法二:记平面 $ ABC $ 的法向量 $\overrightarrow n = \left(n_1,{n_2},{n_3}\right)$,
则由 $\overrightarrow n \perp \overrightarrow {CA} $,$\overrightarrow n \perp \overrightarrow {AB} $,且 $\overrightarrow {CA} =\left(1,0,-1\right)$.得\[{\begin{cases}
{n_1} - {n_3} = 0, \\
- \dfrac{3}{2}{n_1} + \dfrac{\sqrt 3 }{2}{n_2} = 0, \\
\end{cases}}\]故可取 $\overrightarrow n = \left(1,\sqrt 3 ,1\right)$,又平面 $ OAC $ 的法向量为 $ \overrightarrow e=\left(0,1,0\right) $.所以\[\cos \left \langle\overrightarrow n,\overrightarrow e \right \rangle= \dfrac{\left(1,\sqrt 3 ,1\right)\cdot\left(0,1,0\right)}{\sqrt 5 \times1} = \dfrac{\sqrt 3 }{\sqrt 5 },\]二面角 $ O-AC-B $ 的平面角是锐角,记为 $\theta $,则 $\cos \theta = \dfrac{{\sqrt {15} }}{5}$.
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2