解:方法一:(1)证明:`.:O、D`分别是`AC、PC`的中点
`:.OD"//"PA`,又`PAsub`平面`PAB`
`:.OD"//"`平面`PAB`
(2)`.:AB_|_BC`,`OA=OC`
`:.OA=OB=OC`
又`.:OP_|_`平面`ABC`
`:.PA=PB=PC`,取`BC`的中点`E`,连结`PE`
则`BC_|_`平面`POE`,作`OF_|_PE`于点`F`,连结`DF`
`:.OF_|_`平面`PBC`
`:./_ODF`是`OD`与平面`PBC`所成的角
又`OD"//"PA`
`:.PA`与平面`PBC`的大小等于`/_ODF`
在`Rt△ODF`中,`sin/_ODF=(OF)/(OD)=sqrt210/30`
`:.`直线`PA`与平面`PBC`所成角为`arcsin(sqrt210/30)`
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(3)由(2)知,`OF_|_`平面`PBC`
`:.F`是`O`在平面`PBC`内的射影
`.:D`是`PC`的中点
若点`F`是`△PBC`的重心,则`B、F、D`三点共线
`:.`直线`OB`在平面`PBC`内的射影为直线`BD`
`.:OB_|_PC`
`:.PC_|_BD`
`:.PB=BC`,即`k=1`
反之,当`k=1`时,三棱锥`O-PBC`为正三棱锥
`:.O`在平面`PBC`内的射影恰好为`△PBC`的重心
方法二:`.:PO_|_`平面`ABC`,`OA=OC`,`AB=BC`
`:.OA_|_OB`,`OA_|_OP`,`OB_|_OP`
以`O`为原点,射线`OP`为非负`z`轴,如图,建立空间直角坐标系`O-xyz`,设`AB=a`,于是`A(sqrt2/2a,0,0)`,`B(0,sqrt2/2a,0)`,`C(-sqrt2/2a,0,0)`
设`OP=h`,则`P(0,0,h)`
(1)证明:`.:`点`D`是`PC`的中点,
`:.vec(OD)=(-sqrt2/4a,0,1/2h)`,`vec(PA)=(sqrt2/2a,0,-h)`
`:.vec(OD)=-1/2vec(PA)`
`:.vec(OD)"//"vec(PA)`
`:.OD"//"`平面`PAB`
(2)`.:k=1/2`,即`PA=2a`
`:.h=sqrt(7/2)a`
`:.vec(PA)=(sqrt2/2a,0,-sqrt(7/2)a)`
可求得平面`PBC`的法向量`vec(n)=(1,-1,-sqrt(1/7))`
`:.cos<vec(PA),vec(n)> =(vec(PA)·vec(n))/(|vec(PA)||vec(n)|)=sqrt210/30`
设直线`PA`与平面`PBC`所成的角为`theta`
则`sintheta=|cos<vec(PA),vec(n)>|=sqrt210/30`
`:.`直线`PA`与平面`PBC`所成角为`arcsin(sqrt210/30)`
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(3)`△PBC`的重心`G(-sqrt2/6a,sqrt2/6a,1/3h)`
`:.vec(OG)=(-sqrt2/6a,sqrt2/6a,1/3h)`
`.:OG_|_`平面`PBC`
`:.vec(OG)_|_vec(PB)`,又`vec(PB)=(0,sqrt2/2a,-h)`
`:.vec(OG)·vec(PB)=1/6a^2-1/3h^2=0`
`:.h=sqrt2/2a`
`:.PA=sqrt(OA^2+h^2)=a`,即`k=1`
反之,当`k=1`时,三棱锥`O-PBC`为正三棱锥
`:.O`在平面`PBC`内的射影恰好为`△PBC`的重心
评注:本题主要考察空间线面关系、空间向量的概念与运算等基础知识,同时考察空间想象能力和推理运算能力. |