题目
在平面四边形ABCD中,AB=AC=CD=1,∠ADC=30°,∠DAB=120°,将△ACD沿AC翻折至△ACP,其中P为动点.(1)设PC⊥AB,三棱锥P-ABC的各个顶点都在球O的球面上.(i)证明:平面PAC⊥平面ABC;(ⅱ)求球O的半径;(2)求二面角A-CP-B的余弦值的最小值.
在平面四边形ABCD中,AB=AC=CD=1,∠ADC=30°,∠DAB=120°,将△ACD沿AC翻折至△ACP,其中P为动点.
(1)设PC⊥AB,三棱锥P-ABC的各个顶点都在球O的球面上.
(i)证明:平面PAC⊥平面ABC;
(ⅱ)求球O的半径;
(2)求二面角A-CP-B的余弦值的最小值.
(1)设PC⊥AB,三棱锥P-ABC的各个顶点都在球O的球面上.
(i)证明:平面PAC⊥平面ABC;
(ⅱ)求球O的半径;
(2)求二面角A-CP-B的余弦值的最小值.
题目解答
答案
解:(1)(i)证明:∵AC=CD=1,∠CAD=∠ADC=30°,∠BAD=120°,
∴∠BAC=90°,AB⊥AC,翻折后同样有AB⊥AC,又AB⊥PC,PC∩AC=C,
∴AB⊥平面PCA,又AB⊂平面ABC,
∴平面PAC⊥平面ABC;
(ⅱ)如图,∵△ABC的外接圆圆心O1位于BC中点,作C关于AP的对称点O2,

则O2C=O2A=O2P=1,O2为△ACP的外接圆圆心,
作O1H⊥AC于H,则H为AC中点,
则O1H⊥平面ACP,O1H⊥O2H,
又△O2AC为等边三角形,∴O2H⊥AC,
而外接球球心O,满足OO1⊥平面ABC,OO2⊥平面ACP,
∴OO1=O2H=$\frac{\sqrt{3}}{2}$,BO1=$\frac{\sqrt{2}}{2}$,
∴球O的半径为R=$\sqrt{B{{O}_{1}}^{2}+O{{O}_{1}}^{2}}$=$\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{3}{4}}$=$\frac{\sqrt{5}}{2}$;
(2)以A为原点,AC所在直线为x轴,过A且垂直底面ACP的直线为z轴,建系如图:

则根据题意可得C(1,0,0),P($\frac{3}{2}$,$\frac{\sqrt{3}}{2}$,0),又AB=1,
∴设B(0,cosθ,sinθ),
∴$\overrightarrow{CP}=(\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2},0)$,$\overrightarrow{CB}=(-1,cosθ,sinθ)$,
易知平面ACP的一个法向量为$\overrightarrow{n}=(0,0,1)$,
设平面BCP的法向量为$\overrightarrow{m}=(x,y,z)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{CB}=-x+ycosθ+zsinθ=0}\\{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{CP}=\frac{1}{2}x+\frac{\sqrt{3}}{2}y=0}\end{array}\right.$,取$\overrightarrow{m}=(-\sqrt{3}sinθ,sinθ,-(\sqrt{3}+cosθ))$,
设二面角A-CP-B的平面角为φ,易知φ为锐角,
∴cosφ=|cos<$\overrightarrow{m}$,$\overrightarrow{n}$>|=$\frac{|\overrightarrow{m}•\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}||\overrightarrow{n}|}$=$\frac{|\sqrt{3}+cosθ|}{\sqrt{7-3co{s}^{2}θ+2\sqrt{3}cosθ}}$,
令t=cosθ+$\sqrt{3}$,则t∈[$\sqrt{3}-1$,$\sqrt{3}+1$],
∴cosφ=$\frac{|t|}{\sqrt{-3{t}^{2}+8\sqrt{3}t-8}}$=$\frac{1}{\sqrt{-8(\frac{1}{t}-\frac{\sqrt{3}}{2})^{2}+3}}$,
∴当$\frac{1}{t}=\frac{\sqrt{3}}{2}$,即cosθ=$-\frac{\sqrt{3}}{3}$时,cosφ取得最小值$\frac{\sqrt{3}}{3}$,
∴二面角A-CP-B的余弦值的最小值为$\frac{\sqrt{3}}{3}$.
∴∠BAC=90°,AB⊥AC,翻折后同样有AB⊥AC,又AB⊥PC,PC∩AC=C,
∴AB⊥平面PCA,又AB⊂平面ABC,
∴平面PAC⊥平面ABC;
(ⅱ)如图,∵△ABC的外接圆圆心O1位于BC中点,作C关于AP的对称点O2,

则O2C=O2A=O2P=1,O2为△ACP的外接圆圆心,
作O1H⊥AC于H,则H为AC中点,
则O1H⊥平面ACP,O1H⊥O2H,
又△O2AC为等边三角形,∴O2H⊥AC,
而外接球球心O,满足OO1⊥平面ABC,OO2⊥平面ACP,
∴OO1=O2H=$\frac{\sqrt{3}}{2}$,BO1=$\frac{\sqrt{2}}{2}$,
∴球O的半径为R=$\sqrt{B{{O}_{1}}^{2}+O{{O}_{1}}^{2}}$=$\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{3}{4}}$=$\frac{\sqrt{5}}{2}$;
(2)以A为原点,AC所在直线为x轴,过A且垂直底面ACP的直线为z轴,建系如图:

则根据题意可得C(1,0,0),P($\frac{3}{2}$,$\frac{\sqrt{3}}{2}$,0),又AB=1,
∴设B(0,cosθ,sinθ),
∴$\overrightarrow{CP}=(\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2},0)$,$\overrightarrow{CB}=(-1,cosθ,sinθ)$,
易知平面ACP的一个法向量为$\overrightarrow{n}=(0,0,1)$,
设平面BCP的法向量为$\overrightarrow{m}=(x,y,z)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{CB}=-x+ycosθ+zsinθ=0}\\{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{CP}=\frac{1}{2}x+\frac{\sqrt{3}}{2}y=0}\end{array}\right.$,取$\overrightarrow{m}=(-\sqrt{3}sinθ,sinθ,-(\sqrt{3}+cosθ))$,
设二面角A-CP-B的平面角为φ,易知φ为锐角,
∴cosφ=|cos<$\overrightarrow{m}$,$\overrightarrow{n}$>|=$\frac{|\overrightarrow{m}•\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}||\overrightarrow{n}|}$=$\frac{|\sqrt{3}+cosθ|}{\sqrt{7-3co{s}^{2}θ+2\sqrt{3}cosθ}}$,
令t=cosθ+$\sqrt{3}$,则t∈[$\sqrt{3}-1$,$\sqrt{3}+1$],
∴cosφ=$\frac{|t|}{\sqrt{-3{t}^{2}+8\sqrt{3}t-8}}$=$\frac{1}{\sqrt{-8(\frac{1}{t}-\frac{\sqrt{3}}{2})^{2}+3}}$,
∴当$\frac{1}{t}=\frac{\sqrt{3}}{2}$,即cosθ=$-\frac{\sqrt{3}}{3}$时,cosφ取得最小值$\frac{\sqrt{3}}{3}$,
∴二面角A-CP-B的余弦值的最小值为$\frac{\sqrt{3}}{3}$.