Question

20．已知在梯形ABCD中，∠ADC=$\frac{π}{2}$，AB∥CD，PC⊥平面ABCD，CP=AB=2DC=2DA，點(diǎn)E在BP上，且EB=2PE．
（1）求證：DP∥平面ACE；
（2）求二面角E-AC-P的余弦值．

Answer 1

分析 （1）連接DB交AC于點(diǎn)O，連接OE，由已知結(jié)合平行線成比例可得OE∥PD．再由線面平行的判定可得DP∥平面ACE；
（2）設(shè)CD=1，由∠ADC=$\frac{π}{2}$，且PC⊥平面ABCD，故以C為原點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)C與AD平行的直線為x軸，CD所在直線為y軸，CP所在直線為z軸距離空間直角坐標(biāo)系．求出平面ACE的一個(gè)法向量，再證明MD⊥平面PAC，可得$\overrightarrow{MD}$是平面PAC的一個(gè)法向量．由兩法向量所成角的余弦值求得二面角E-AC-P的余弦值．

解答 （1）證明：連接DB交AC于點(diǎn)O，連接OE，
∵AB∥CD，∴$\frac{DO}{OB}=\frac{CD}{AB}=\frac{1}{2}$，
∵EB=2PE，∴$\frac{PE}{EB}=\frac{1}{2}=\frac{DO}{OB}$，
∴OE∥PD．
∵DP?平面ACE，OE?平面ACE，
∴DP∥平面ACE；
（2）解：設(shè)CD=1，∵∠ADC=$\frac{π}{2}$，且PC⊥平面ABCD，
故以C為原點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)C與AD平行的直線為x軸，CD所在直線為y軸，CP所在直線為z軸距離空間直角坐標(biāo)系．
則C（0，0，0），A（1，1，0），B（1，-1，0），D（0，1，0），P（0，0，2），
設(shè)E（x_E，y_E，z_E），由EB=2PE，得$\overrightarrow{PE}=\frac{1}{3}\overrightarrow{PB}$，
∴（x_E，y_E，z_E-2）=$\frac{1}{3}$（1，-1，-2），得E（$\frac{1}{3}，-\frac{1}{3}，\frac{4}{3}$）．
$\overrightarrow{CA}=（1，1，0），\overrightarrow{CE}=（\frac{1}{3}，-\frac{1}{3}，\frac{4}{3}）$，
設(shè)平面ACE的一個(gè)法向量為$\overrightarrow{n}=（x，y，z）$．
由$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{CA}=x+y=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{CE}=\frac{1}{3}x-\frac{1}{3}y+\frac{4}{3}z=0}\end{array}\right.$，取x=1，得$\overrightarrow{n}=（1，-1，-\frac{1}{2}）$．
取AC的中點(diǎn)M，連接MD，可得M（$\frac{1}{2}，\frac{1}{2}，0$），
∴$\overrightarrow{MD}=（-\frac{1}{2}，\frac{1}{2}，0）$．
由DA=DC，得MD⊥AC，
由PC⊥底面ABCD，得MD⊥PC，
又AC∩PC=C，∴MD⊥平面PAC，
∴$\overrightarrow{MD}$是平面PAC的一個(gè)法向量．
∴|cos＜$\overrightarrow{MD}，\overrightarrow{n}$＞|=$\frac{|\overrightarrow{MD}•\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{MD}|•|\overrightarrow{n}|}=\frac{|-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}|}{\frac{\sqrt{2}}{2}•\sqrt{2+\frac{1}{4}}}=\frac{2\sqrt{2}}{3}$．
由圖可知，二面角E-AC-P為銳二面角，
∴二面角E-AC-P的余弦值為$\frac{2\sqrt{2}}{3}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查直線與平面平行的判定，考查空間想象能力和思維能力，訓(xùn)練了利用空間向量求二面角的大小，是中檔題．