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在正方体ABCDA′BCD′中,点M是棱AA′的中点,点O是对角线BD′的中点.

(Ⅰ)求证:OM为异面直线AA′和BD′的公垂线;

(Ⅱ)求二面角MBC′-B′的大小;  

 

 

 

 

 

 

 

 

【答案】

 解法一:(1)连结AC,取AC中点K,则KBD的中点,连结OK

能力和逻辑推理能力,考查应用向量知识解决数学问题的能力。

本小题主要考查异面直线、直线与平面垂直、二面角、正方体等基础知识,并考查空间想象

因为M是棱AA’的中点,点OBD’的中点

所以AM

所以MO

AA’⊥AK,得MOAA’    

因为AKBD,AKBB’,所以AK⊥平面BDDB

所以AKBD

所以MOBD

又因为OM是异面直线AA’和BD’都相交

OM为异面直线AA'和BD'的公垂线…………6分

(2)取BB’中点N,连结MN,则MN⊥平面BCCB

过点NNHBC’于H,连结MH

则由三垂线定理得BC’⊥MH

从而,∠MHN为二面角MBC’-B’的平面角

MN=1,NHBnsin45°=

RtMNH中,tanMHN

故二面角MBC’-B’的大小为arctan2…………………………………………12分

解法二:

以点D为坐标原点,建立如图所示空间直角坐标系Dxyz

A(1,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),A’(1,0,1),C’(0,1,1),D’(0,0,1)

(1)因为点M是棱AA’的中点,点OBD’的中点

所以M(1,0, ),O(,,)

,=(0,0,1),=(-1,-1,1)

=0, +0=0

所以OMAA’,OMBD

又因为OM与异面直线AA’和BD’都相交

OM为异面直线AA'和BD'的公垂线.………………………………6分

(2)设平面BMC'的一个法向量为=(x,y,z)    

=(0,-1,), =(-1,0,1)

  即

z=2,则x=2,y=1,从而=(2,1,2)

取平面BC'B'的一个法向量为=(0,1,0)

cos

由图可知,二面角MBC'-B'的平面角为锐角  

故二面角MBC'-B'的大小为arccos………………………………………………12分

(19)  

(Ⅰ)1证明两角和的余弦公式

      2由推导两角和的正弦公式.

(Ⅱ)已知,求

解:(1)①如图,在执教坐标系xOy内做单位圆O,并作出角αβ与-β,使角α的始边为

Ox,交⊙O于点P1,终边交⊙OP2;角β的始边为OP2,终边交⊙OP3;角-β的始边为OP1,终边交⊙OP4.

P1(1,0),P2(cosα,sinα)

P3(cos(αβ),sin(αβ)),P4(cos(-β),sin(-β))

P1P3P2P4及两点间的距离公式,得

[cos(αβ)-1]2sin2(αβ)=[cos(-β)-cosα]2+[sin(-β)-sinα]2

展开并整理得: cos(αβ)= (cosαcosβsinαsinβ)

cos(αβ)=cosαcosβsinαsinβ.……………………4分  

②由①易得cos(α)=sinα,sin(α)=cosα

sin(αβ)=cos[-(αβ)]=cos[(α)+(-β)]

           =cos(α)cos(-β)-sin(α)sin(-β)

           =sinαcosβcosαsinβ……………………………………6分

(2)∵α∈(π,),cosα=-

   ∴sinα=-

   ∵β∈(,π),tanβ=-

   ∴cosβ=-,sinβ

   cos(αβ)=cosαcosβsinαsinβ

              =(-)×(-)-(-  

              =

 

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