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如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,四边形ABCD是直角梯形,其中DA⊥AB,AD∥BC.PA=2AD=BC=2AB=2.
(1)求异面直线PC与AD所成角的大小;
(2)若平面ABCD内有一经过点C的曲线E,该曲线上的任一动点Q都满足PQ与AD所成角的大小恰等PC与AD所成角.试判断曲线E的形状并说明理由;
(3)在平面ABCD内,设点Q是(2)题中的曲线E在直角梯形ABCD内部(包括边界)的一段曲线CG上的动点,其中G为曲线E和DC的交点.以B为圆心,BQ为半径的圆分别与梯形的边AB、BC交于M、N两点.当Q点在曲线段GC上运动时,试提出一个研究有关四面P-BMN的问题(如体积、线面、面面关系等)并尝试解决.
(说明:本小题将根据你提出的问题的质量和解决难度分层评分;本小题的计算结果可以使用近似值,保留3位小数)

【答案】分析:(1)解法一:由已知四边形ABCD是直角梯形,AD∥BC,可得PC与AD所成的角即为∠PCB,解三角形PCB即可得到异面直线PC与AD所成角的大小.
解法二:以A为原点,直线AB为x轴、直线AD为y轴、直线AP为z轴,建立空间直角坐标系,分别求出直线PC与AD的方向向量,代入向量夹角公式即可得到异面直线PC与AD所成角的大小.
(2)解法一:过Q作QF⊥AB,垂足为F,连接PF,可证得PQ与AD所成角即为∠PQF=60°,在平面ABCD中,以A为原点,直线AB为x轴,直线AD为y轴,建立平面直角坐标系.设动点Q(x,y),根据|QF|=|y|=,可得到一个关于x,y的关系式,整理可得曲线E的轨迹方程,即可得到曲线E的形状.
解法二:以A为原点,直线AB为x轴、直线AD为y轴、直线AP为z轴,建立空间直角坐标系,由该曲线上的任一动点Q都满足PQ与AD所成角的大小恰等PC与AD所成角,分别求出向量与的坐标,代入向量夹角公式,可得到一个关于x,y的关系式,整理可得曲线E的轨迹方程,即可得到曲线E的形状.
(3)在xOy的坐标系中,设G(x1,y1)求出直线DC的方程后,代入双曲线E:3y2-x2=4的方程,根据韦达定理及直线DC与双曲线E交于点C,可以求出x,y的取值范围,进而根据二次函数的性质,求出圆的半径|BQ|的取值范围,进而我们可以分别研究问题一:求四面体P-BMN体积的取值范围.问题二:求侧棱PM与底面BMN所成角大小的取值范围.问题三:求侧棱PN与底面BMN所成角大小的取值范围.问题四:求侧面PMN和底面BMN所成的二面角P-MN-B大小的取值范围等.
解答:解:(1)解法一:由题意,四边形ABCD是直角梯形,且AD∥BC,
则PC与AD所成的角即为∠PCB.
因为DA⊥AB⇒BC⊥AB,又PA⊥平面ABCD,
所以BC⊥平面ABCD,则有∠PBC=90°.
    因为PB==2,BC=2,
所以tan∠PCB==,则∠PCB=60°,
即异面直线PC与AD所成角的大小为60°.
解法二:如图,以A为原点,直线AB为x轴、直线AD为y轴、直线AP为z轴,建立空间直角坐标系.
于是有P(0,0,2)、C(2,2,0),则有=(2,2,-2),又=(0,1,0)
则异面直线PC与AD所成角θ满足cosθ==,
    所以,异面直线PC与AD所成角的大小为60°
(2)解法一:由条件,过Q作QF⊥AB,垂足为F,连接PF.
于是有AD∥QF,故PQ与AD所成角即为∠PQF=60°.
在平面ABCD中,以A为原点,直线AB为x轴,直线AD为y轴,建立平面直角坐标系.设动点Q(x,y),
则有|PF|==
又QF⊥平面PAB,所以QF⊥PF.
所以|QF|=|y|==,
即3y2-x2=4.
所以,可判定曲线E是双曲线.
(2)解法二:如图,以A为原点,直线AB为x轴、直线AD为y轴、直线AP为z轴,建立空间直角坐标系.
设Q(x,y,0),P(0,0,2)、D(0,1,0),
则有=(x,y,-2),又=(0,1,0)
由•=±||•||•cos,
化简整理得到3y2-x2=4,则曲线E是平面ABCD内的双曲线.
(3)在如图所示的xOy的坐标系中,因为D(0,1)、C(2,2)、B(2,0),
设G(x1,y1).则有=(2,1),故DC的方程为,
代入双曲线E:3y2-x2=4,的方程整理后可得5y2-16y+12=0,其中y1•y2=.
因为直线DC与双曲线E交于点C,故y1=.进而可得x1=,即G(,).
故双曲线E在直角梯形ABCD内部(包括边界)的区域满足x∈[,2],y∈[,2].
又设Q(x,y)为双曲线段CG上的动点x∈[,2],
所以,|BQ|==        
因为∈[,2],
所以当x=时,|BQ|取最小值;
当x=时,|BQ|取最大值
而要使圆B与AB、BC都有交点,则|BQ|≤2.
故满足题意的圆的半径的取值范围是|BQ|∈[,2].
【说明】
1.若提出的问题在解决过程中不需用到以上结论的,则完整提出问题并解决最高得6分.
2.若提出的问题在解决过程中需用到以上结论的,则上述分析过程满分6分;继续深入的研究过程和结论则可参考以下典型问题和解答,最高再得6分.
 问题一:求四面体P-BMN体积的取值范围.
因为PA⊥DMN,所以P-BMN体积为VP-BMN=•PA•S△BMN.故问题可以转化为研究△BMN的面积.
又因为∠MBN为直角,所以△BMN必为等腰直角三角形.
由前述,设|BQ|=r∈[,2],则|BQ|=|BN|=r,
故其面积为S△BMN=r2,所以S△BMN∈[,2].
于是VP-BMN=•PA•S△BMN=•S△BMN∈[,].
(当Q点运动到与点C重合时,体积取得最大值;当Q点运动到横坐标x=时,即|PQ|长度最小时,体积取得最小值)
问题二:求侧棱PM与底面BMN所成角大小的取值范围.
解:因为PA⊥BMN,所以∠PMA即为侧棱PM与底面BMN所成角.
而tan∠PMA==,r∈[,2]
由于在区间[,2]内递增,
所以tan∠PMA∈[1.995,2.414],即.∠PMA∈[arctan1.995,arctan2.414],
问题三:求侧棱PN与底面BMN所成角大小的取值范围.
解:因为PA⊥BMN,所以∠PNA 即为侧棱PN与底面BMN 所成角.
因为N(2,r),所以|AN|=,
故tan∠PNA==,r∈[,2].
由于在区间[,2]内递减,
所以tan∠PNA∈[,0.594],即∠PNA∈[,arctan0.594].
问题四:求侧面PMN和底面BMN所成的二面角P-MN-B大小的取值范围.
解:如图,以A为原点,直线AB为x轴、直线AD为y轴、直线AP为z轴,建立空间直角坐标系.
设P(0,0,2)、M(2-r,0,0),N(2,r,0),
设平面PMN的法向量为=(x,y,z)
由⊥,⊥,可得平面PMN的一个法向量坐标为=(1,-1,).
可知,向量=(0,0,2)是平面BMN的一个法向量,于是向量和的夹角θ的大小即为二面角P-MN-B平面角的大小.
而cosθ==,
经分析可得,cosθ在区间r∈[,2]内递增.
所以,cosθ∈[-0.334,-0.281],
即二面角大小的取值范围是[π-arctan0.281,π-arctan0.334]
点评:本题考查的知识点是异面直线及其所成的角,双曲线的标准方程,其中(1)中方法一的关键是构造∠PCB即为PC与AD所成的角,方法二的关键是建立空间坐标系,将直线夹角问题转化为向量夹角问题,(2)中方法一的关键是根据|QF|=|y|=,可得到一个关于x,y的关系式,而方法二的关键是求出向量与的坐标,代入向量夹角公式,可得到一个关于x,y的关系式,(3)中的开放题型只要从四个问题中选择一个即可.
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