三、解答题
18.(本小题满分12分)
如图,在棱长为1的正方体ABCD—A1B1C1D1中,P是侧棱CC1上的一点,CP=m。
(Ⅰ)试确定m,使得直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为;
(Ⅱ)在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q在平面APD1上的射影
垂直于AP,并证明你的结论。
本小题主要考查线面关系,直线与平面所成角的有关知识及空间想象能力和
推理运算能力,考查应用向量知识解决数学问题的能力。
解法1:(Ⅰ)连AC,设ACBD=O,AP与面BDD1B1交于点G,连结OG。
因为PC//面BDD1B1,面BDD1B1面APC=OG,故OG∥PC,所以。
又AO⊥DB,AO⊥BB1,所以AO⊥面BDD1B1。
故∠AGO即为AP与面BDD1B1所成的角。
在。
故当时,直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为3。
(Ⅱ)依题意,要在A1C1上找一点Q,使得D1Q⊥AP。
可推测A1C1的重点Q1即为所求的Q点。
因为D1O1⊥A1C1,D1O1⊥AA1,所以D1O1⊥面ACC1A1。
又AP面ACC1A1,故D1O1⊥AP。
从而D1O1在平面AD1P上的射影与AP垂直
解法2:(1)建立如图所示的空间直角坐标系,则A(1,0,0),B(1,1,0)
,P(0,1,m),C(0,1,0),D(0,0,0),(1,1,1),D(0,0,1)。
所以(-1,-1,0),。
又由向量。
设AP与平面BB1D1D所成的角为,则sin=cos()
=
依题意有。
故当时,直线AP与平面BD D1B1所成角的正切值为3。
(Ⅱ)若在A1C1上存在这样的点Q,设此点的横坐标为x.
则Q(x,1-x,1),
依题意,对任意的m要使在平面APD1上的射影垂直于AP,等价于⊥AP即Q为的中点时,满足题设要求。
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