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如图,在正三棱柱ABC-A1B1C1中,所有棱的长度都是1,M是BC边的中点,P是AA1边上的点,且PA=
6
4

(1)求:点P到棱BC的距离;
(2)问:在侧棱CC1上是否存在点N,使得异面直线AB1与MN所成角为45°?若存在,请说明点N的位置;若不存在,请说明理由;
(3)定义:如果平面α经过线段AA′的中点,并与线段AA′垂直,则称点A关于平面α的对称点为点A′.设点A关于平面PBC的对称点为A′,求:点A′到平面AMC1的距离.
分析:(1)以A为原点,以AB顺时针旋转30°得到的直线为x轴,以AC为y轴,以AA1为z轴,建立空间直角坐标系,则
BP
=(-
3
2
,-
1
2
6
4
)
BC
=(-
3
2
1
2
,0)
,由向量法能求出点P到棱BC的距离.
(2)设在侧棱CC1上是否存在点N(0,0,z),使得异面直线AB1与MN所成角为45°,由M是BC边的中点,知
NM
=(
3
4
3
4
,-z)
AB1
=(
3
2
1
2
,1)
,由异面直线AB1与MN所成角为45°,知cos45°=
3
8
+
3
8
-z
z2+
3
4
2
,解得z=-
1
8
,不合题意.故在侧棱CC1上是不存在点N.
(3)设平面PBC的平面方程为Ax+By+Cz+D=0,由P(0,0,
6
4
),C(0,1,0),B(
3
2
1
2
,0
),知
6
4
C+D=0
B+D=0
3
2
A+
1
2
B+D=0
,故平面PBC的平面方程为x+
3
y+2
2
z-
3
=0
,过点A(0,0,0)且垂直于平面PBC的直线方程是:
x
1
=
y
3
=
z
2
2
,令
x
1
=
y
3
=
z
2
2
=t,得到点A(0,0,0)且垂直于平面PBC的直线与平面的交点是(
3
12
1
4
6
6
),从而得到A(
3
6
1
2
6
3
)
.由此能求出点A′到平面AMC1的距离.
解答:解:(1)以A为原点,以AB顺时针旋转30°得到的直线为x轴,
以AC为y轴,以AA1为z轴,建立空间直角坐标系,
∵在正三棱柱ABC-A1B1C1中,所有棱的长度都是1,
P是AA1边上的点,且PA=
6
4

∴P(0,0,
6
4
),C(0,1,0),B(
3
2
1
2
,0
),
BP
=(-
3
2
,-
1
2
6
4
)
BC
=(-
3
2
1
2
,0)

∴点P到棱BC的距离d=|
BP
|•
1-(cos<
BP
BC
)2

=
22
4
1-(
2
22
)
2

=
3
2
4

(2)设在侧棱CC1上是否存在点N(0,0,z),使得异面直线AB1与MN所成角为45°,
∵M是BC边的中点,
∴M(
3
4
3
4
,0
),A(0,0,0),B1(
3
2
1
2
,1)

NM
=(
3
4
3
4
,-z)
AB1
=(
3
2
1
2
,1)

∵异面直线AB1与MN所成角为45°,
cos45°=
3
8
+
3
8
-z
z2+
3
4
2

整理,得
3
4
-z
z2+
3
4
=1

解得z=-
1
8
,不合题意.
∴在侧棱CC1上是不存在点N.
(3)∵P(0,0,
6
4
),C(0,1,0),B(
3
2
1
2
,0
),
设平面PBC的平面方程为Ax+By+Cz+D=0,
6
4
C+D=0
B+D=0
3
2
A+
1
2
B+D=0

∴C=-
2
6
3
D
,B=-D,A=-
3
3
D

∴平面PBC的平面方程为-
3
3
Dx-Dy-
2
6
3
Dz+D=0

x+
3
y+2
2
z-
3
=0

过点A(0,0,0)且垂直于平面PBC的直线方程是:
x
1
=
y
3
=
z
2
2

x
1
=
y
3
=
z
2
2
=t,
则x=t,y=
3
t
,z=2
2
t,
代入平面方程x+
3
y+2
2
z-
3
=0

得t+3t+8t-
3
=0,
解得t=
3
12

∴过点A(0,0,0)且垂直于平面PBC的直线与平面的交点是(
3
12
1
4
6
6
),
∴设点A关于平面PBC的对称点A′(x,y,z),
x=2×
3
12
=
3
6
y=2×
1
4
=
1
2
z=2×
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A、
3
4
B、
1
2
C、
3
2
D、1

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