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20、(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;

  (1)试确定m,使直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为

  (2)在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q垂直于AP,并证明你的结论.


答案与解析:

解法一:(1)如图:

(1分)

所以.又.(3分)

.(4分)

在Rt△AOG中,,即

故当时,直线.(6分)

(Ⅱ)依题意,要在A1C1上找一点Q,使得D1Q⊥AP.只需.(7分)

,可推测A1C1的中点O1即为所求的Q点.(8分)

因为D1O1⊥A1C1,D1O1⊥AA1,所以D1O1⊥面ACC1A1

.(10分)

,故D1O1⊥AP.即D1Q⊥AP.(12分)

解法二:(1)建立如图所示的空间直角坐标系,(1分)

则A(1,0,0), B(1,1,0), P(0,1,m),C(0,1,0), D(0,0,0), B1(1,1,1), D1(0,0,1).

所以.(2分)

又由的一个法向量.(3分)

设AP与面BDD1B1所成的角为θ,

.(4分)

依题意有:,解得.(5分)

故当时,直线AP与平面BDD1B1所成的角的正切值为.(6分)

(2)若在A1C1上存在这样的点Q,设此点的横坐标为x,(7分)

.(8分)

依题意,对任意的m要使,只需恒成立.(9分)

,(11分)

即Q为A1C1的中点时,满足题设的要求.(12分)