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试题详情

如图,四棱锥P-ABCD中,∠ABC=∠BAD=90°,BC=2AD,△PAB和△PAD都是等边三角形。

(1)证明:PB⊥CD;

(2)求二面角A-PD-C的大小。

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试题答案

见解析。

试题解析

(1)

证明:取BC的中点E,连结DE,则ABED为正方形。

过P作PO⊥平面ABCD,垂足为O.

连结OA,OB,OD,OE.

由△PAB和△PAD都是等边三角形知PA=PB=PD,

所以OA=OB=OD,即点O为正方形ABED对角线的交点,

故OE⊥BD,从而PB⊥OE.

因为O是BD的中点,E是BC的中点,

所以OE∥CD.因此PB⊥CD.

(2)解法一:由(1)知CD⊥PB,CD⊥PO,PB∩PO=P,

故CD⊥平面PBD.

又PD平面PBD,所以CD⊥PD.

取PD的中点F,PC的中点G,连结FG,

则FG∥CD,FG⊥PD.

连结AF,由△APD为等边三角形可得AF⊥PD.

所以∠AFG为二面角A-PD-C的平面角。

连结AG,EG,则EG∥PB.

又PB⊥AE,所以EG⊥AE.

设AB=2,则AE=,EG==1,

故AG==3.

在△AFG中,FG=,AG=3,

所以cos∠AFG=.

因此二面角A-PD-C的大小为.

解法二:

由(1)知,OE,OB,OP两两垂直。

以O为坐标原点,的方向为x轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系O-xyz.

设||=2,则A(,0,0),D(0,,0),C(,0),P(0,0,)。

=(),=(0,)。

=(,0,),=(,0)。

设平面PCD的法向量为n1=(x,y,z),则n1·=(x,y,z)·()=0,

n1·=(x,y,z)·(0,)=0,

可得2x-y-z=0,y+z=0.

取y=-1,得x=0,z=1,故n1=(0,-1,1)。

设平面PAD的法向量为n2=(m,p,q),则n2·=(m,p,q)·(,0,)=0,n2·=(m,p,q)·(,0)=0,可得m+q=0,m-p=0.

取m=1,得p=1,q=-1,故n2=(1,1,-1)。

于是cos〈n1n2〉=.

由于〈n1n2〉等于二面角A-PD-C的平面角,所以二面角A-PD-C的大小为.

少年,再来一题如何?
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