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如图,四棱锥SABCD中,平面SAC与底面ABCD垂直,侧棱SASBSC与底面ABCD所成的角均为45°,ADBC,且AB=BC=2AD.

(1)求证:四边形ABCD是直角梯形;

(2)求异面直线SBCD所成角的大小;

(3)求直线AC与平面SAB所成角的大小.

解法一:(1)证明:作SOACAC于点O,连结OB.

因为面SAC⊥面ABCD,所以SO⊥面ABCD.

因为侧棱SASBSC与底面ABCD所成的角均为45°,所以∠SAO=∠SBO=∠SCO=45°.

所以△SAO≌△SBO≌△SCO.所以SA=SB=SC,OA=OB=OC.所以AC是△ABC外接圆的直径,所以ABBC.又ADBC,ADBC,所以四边形ABCD是直角梯形。

(2)解:分别取BC中点M,SC中点N,连结AMANMN,则MNSB.

ADBC,AD=BC=MC,所以,ADCM为平形四边形,所以AMBC.所以∠AMN是异面直线SBCD所成的角.

由(1),△SAO、△SBO、△SCO是全等的等腰三角形,AB=BC.所以△SAC、△BAC是全等的等腰直角三角形.

SO=a,则MN=SB=aAM==a.??

因为AM=AN,所以在等腰△AMN中,cOSAMN==.?

所以异面直线SBCD所成角为arccos.                                                          ?

(3)解:取SB中点E,连结AECEOE,由(2)知AESB,CESB,?

所以SB⊥平面AEC.                                                                                               ?

所以平面SAB⊥平面AEC,且交线就是AE.?

所以AC在平面SAB上的射影是AE.?

所以∠CAEAC与平面SAB所成的角.                                                                 ?

在等腰Rt△SOB中,ESB的中点,?

所以OE=SO=AO.?

在Rt△AOE中,tan∠OAE==,?

所以直线AC与平面SAB所成角的大小是arctan.?                                          ?

解法二:(1)证明:作SOACAC于点O,连结OB.?

因为面SAC⊥面ABCD,所以SO⊥面ABCD.                                                          ?

因为侧棱SASBSC与底面,ABCD所成的角均为45°,?

所以∠SAO=∠SBO=∠SCO=45°.                                                                                    ?

所以△SAO≌△SBO≌△SCO.?

所以SA=SB=SCOA=OB=OC=OS.?

AB=BC,所以OBAC.?

OAOBOS所在射线分别作为非负x轴、非负y轴、非负z轴建立空间直角坐标系.?

OS=a,?

A(a,0,0),B(0,a,0),C(-a,0,0),S(0,0,a).                                                              ?

所以·=(-a,a,0)·(-a,-a,0)=a2-a2=0.所以,即ABBC.?

ADBCADBC,所以四边形ABCD是直角梯形.                                           

?

(2)解:由(1),△SAO,△SBO,△SCO是全等的等腰直角三角形,?

所以△SAC,△BAC是全等的等腰直角三角形.?

D(a,-a,0),=(a,-a,0),=(0,a,-a),?

cOS,〉===-,                                                 ?

所以异面直线SB,CD所成角的大小是arccos.                                                   ?

(3)解:设n=(x1,y1,z1)是平面SAB的法向量.?

则由                                                                             ?

x1=1,得n=(1,1,1),?

则cOSn,〉==.                                                              ?

AC和面SAB所成角的大小为α,则cOSα=sin〈n,〉=,?

所以AC和面SAB所成角的大小是arccos.


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