1696

1696

如图, 顶点为 P 的圆锥的轴截面是等腰直角三角形, A 是底面圆周上的点, B 是底面圆内的点, O 为底面圆圆心, AB⊥OB, 垂足为 B, OH⊥PB, 垂足为 H, 且 PA=22, C 是 PA 的中点.

  1. 证明: AB⊥ 平面 POB;
  2. 当三棱锥 O−HPC 的体积最大时, 求 OB 的长;
  3. 是否存在一个点 Q, 满足点 Q 到点 C,H,O,A,B 的距离均相等? 若存在, 求出二面角 Q−CH−B 的余弦值的取值范围; 若不存在, 说明理由.

Pasted image 20260412161556.png|200

解答 (几何方法)

  1. 证明 在圆锥中, PO⊥ 平面 OAB. 而 AB⊂ 平面 OAB, 所以 PO⊥AB. 而 AB⊥OB, OB∩PO=O, OB,PO⊂ 平面 POB, 所以 AB⊥ 平面 POB.

  2. 解 根据题目条件, OP=OA=2. 记 ∠OAB=θ, ∠OPH=α. 则 AB=2cos⁡θ, PH=2cos⁡α, OH=2sin⁡α. 此外 tan⁡α=OBOP=2sin⁡θ2=sin⁡θ, 所以 sin⁡α=sin⁡θsin2⁡θ+1, cos⁡α=1sin2⁡θ+1. 于是 VO−HPC=VC−PHO=∗12VA−PHO=∗∗16AB⋅SΔPHO=112AB⋅PH⋅OH=23cos⁡θsin⁡αcos⁡α=23⋅sin⁡θcos⁡θsin2⁡θ+1=23⋅tan⁡θ2tan2⁡θ+1≤23⋅tan⁡θ22tan⁡θ=26, 这里 * 是因为 C 是 AP 中点, ** 是因为 (1) 中证明的 AB⊥ 平面 POB.[1] 取等时 tan⁡θ=22, 于是 OB=2sin⁡θ=2⋅26=233.

  3. 解 取 OA 中点 Q′, 下面说明 Q′ 就是满足条件的 Q.
    首先 Q′A=Q′O=1. 其次 CQ′ 是 PO 的中位线, 所以 CQ′=12PO=1. 然后再取 OB 的中点 M, Q′M 是 AB 的中位线, Q′M//AB, 且 AB⊥ 平面 POB, 所以 Q′M⊥ 平面 POB. 再加上 M 是 RtΔOHB 的外心, 所以 Q′O=Q′H=Q′B=1. 到此 Q′ 到 C,H,O,A,B 的距离都为 1, 所以 Q=Q′.
    现在取 AH 的中点 N 和 CH 的中点 T, 我们证明二面角 Q−CH−B 的平面角就是 ∠QTN. 一方面, QC=QH, 所以 QT⊥CH. 另一方面,

    • 因为 AB⊥ 平面 PAB、OH⊂ 平面 PAB, 所以 OH⊥AB. 而 OH⊥PB, AB,BP⊂ 平面 PAB, AB∩BP=B, 所以 OH⊥ 平面 PAB.
    • 因为 QN//OH, 所以 QN⊥ 平面 PAB. 而 CH⊂ 平面 PAB, 所以 QN⊥CH. (此外 QN⊥NT)
    • 又因为 CH⊥QT, 且 QN,QT⊂ 平面 QNT, QN∩QT=Q, 所以 CH⊥ 平面 QNT, 而 TN⊂ 平面 QNT, 所以 NT⊥CH.

    所以我们只要算 tan⁡∠QTN=QNQT=OHAC=2sin⁡α=2sin⁡θsin2⁡θ+1∈(0,1), 所以 cos⁡∠QTN∈(22,1).
    Pasted image 20260412172010.png|700


  1. 2 中的三角函数式子, 我们还可以通过倍角公式+辅助角公式处理: 23⋅sin⁡θcos⁡θsin2⁡θ+1=2sin⁡2θ3(3−cos⁡2θ)≤2sin⁡2θ3(cos⁡2θ+22sin⁡2θ−cos⁡2θ)=26. 取等时 cos⁡2θ=13=1−2sin2⁡θ, 所以 sin⁡θ=33. ↩︎