Question

如圖，四邊形ABCD是圓柱OQ的軸截面，點(diǎn)P在圓柱OQ的底面圓周上，G是DP的中點(diǎn)，
圓柱OQ的底面圓的半徑OA=2，側(cè)面積為8

3

π，∠AOP=120°．
（1）求證：AG⊥BD；
（2）求二面角P-AG-B的平面角的余弦值．

Answer 1

分析：解法一：（1）由題設(shè)條件知可通過證明AG⊥面DBP證AG⊥BD；
（2）作輔助線，如圖，找出∠PGB是二面角P-AG-B的平面角，由于其所在的三角形各邊已知，且是一個(gè)直角三角形，故易求．
解法二：建立如圖的空間坐標(biāo)系，給出圖中各點(diǎn)的坐標(biāo)
（1）求出AG，BD兩線段對(duì)應(yīng)的向量的坐標(biāo)，驗(yàn)證其內(nèi)積為0即可得出兩直線是垂直的；
（2）求出兩個(gè)平面的法向量，然后求出兩法向量夾角的余弦值的約對(duì)值即是二面角P-AG-B的平面角的余弦值．

解答：解：（1）（解法一）：由題意可知8

3

π=2×2π×AD，
解得AD=2

3

，
在△AOP中，AP=

22+22-2×2×2×cos120°

，
∴AD=AP，
又∵G是DP的中點(diǎn)，
∴AG⊥DP．①
∵AB為圓O的直徑，
∴AP⊥BP．
由已知知DA⊥面ABP，
∴DA⊥BP，
∴BP⊥面DAP．分
∴BP⊥AG．②
∴由①②可知：AG⊥面DBP，
∴AG⊥BD．
（2）由（1）知：AG⊥面DBP，
∴AG⊥BG，AG⊥PG，
∴∠PGB是二面角P-AG-B的平面角．
PG=

1

2

PD=

1

3

×

2

AP=

6

，
BP=OP=2，∠BPG=90°，．
∴BG=

PG2+BP2

=

10

．
cos∠PGB=

PG

BG

=

6

10

=

15

5

．
（解法二）：建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，由題意可知8

3

π=2×2π×AD，
解得AD=2

3

，
則A（0，0，0），B（0，4，0），D（0，0，2

3

），P（

3

，3，0），
∵G是DP的中點(diǎn)，
∴可求得G（

3

2

，

3

2

，

3

）．
（1）

BP

=（

3

，-1，0），

BD

=（0，-4，2

3

），，
∴

AG

=（

3

2

，

3

2

，

3

）．
∵

AG

•

BP

=（

3

2

，

3

2

，

3

）•（0，-4，2

3

）=0，
∴AG⊥BD
（2）由（1）知，）

BP

=（

3

，-1，0），

AG

=（

3

2

，

3

2

，

3

）.

PG

=（-

3

2

，-

3

2

，

3

）

BG

=（

3

2

，-

5

2

，

3

）

∵

AG

•

PG

=0，

AG

•

BP

=0．
∴

BP

是平面APG的法向量．
設(shè)

n

=（x，y，1）是平面ABG的法向量，
由

n

•

AG

=0，

n

•

AB

=0，
解得

n

=（-2，0，1）分
cosθ=

BP • n

| n || BP |

=

-2 3

2 5

=-

15

5

．
所以二面角二面角P-AG-B的平面角的余弦值

15

5

點(diǎn)評(píng)：本題考查空間的線面關(guān)系、二面角、空間向量及坐標(biāo)運(yùn)算、余弦定理等知識(shí)，考查數(shù)形結(jié)合、化歸轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想和方法，以及空間想象能力、推理論證能力和運(yùn)算求解能力