Question

已知四棱錐P-ABCD的底面為直角梯形，∠BAD=∠ADC=90°，AB=AD=1，PD⊥底面ABCD，平面PBC⊥平面PBD，PA與BC成60°角．
（1）求證：CD=2PD=2；
（2）求側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成的銳二面角的大�。�

Answer 1

【答案】分析：方法一：
（1）作DE⊥PB于E，由平面PBC⊥平面PBD，得DE⊥BC．由PD⊥BC，PD∩DE=D，得BC⊥BD．由AB=AD=1，AB∥CD，知∠CDB=∠DBA=45°，BC=BD=，CD=2，取CD中點(diǎn)F，連接AF，PF，則∠PAF為PA與BC所成的角，故∠PAF=60°，Rt△ADP≌Rt△FDP，知△PAF為等邊三角形，由此能夠證明CD=2PD=2．
（2）延長(zhǎng)DA，CB交于G，連接PG，則PG是所求二面角的棱．作DH⊥PG于H，連接CH，根據(jù)二垂線(xiàn)定理，CH⊥PG，∠CHD是側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成二面角的平面角，由此能求出側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成銳二面角的大�。�
方法二：
（1）建立空間直角坐標(biāo)系，設(shè)CD=a，PD=b，則A（1，0，0），B（1，1，0），C（0，a，0），D（0，0，0），P（0，0，b）．設(shè)BD中點(diǎn)為M（，0），則AM⊥平面PBD，所以是平面PBD的一個(gè)法向量．由
=（-1，a-1，0），=（0，a，-b），得平面PBC的法向量n=（a-1，1，）．由此能證明CD=2PD=2．
（2）由平面PBC的法向量為n=（1，1，2），=（1，0，0）是平面PAD的法向量，能求出側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成銳二面角的大�。�
解答：方法一：
（1）證明：作DE⊥PB于E，
∵平面PBC⊥平面PBD，
∴DE⊥平面PBC，得DE⊥BC．
∵PD⊥BC，PD∩DE=D，
∴BC⊥平面PBD，得BC⊥BD．
∵AB=AD=1，AB∥CD，
∴∠CDB=∠DBA=45°，
BC=BD=，CD=2，
取CD中點(diǎn)F，連接AF，PF，
則AF∥BC，
∠PAF為PA與BC所成的角，
∴∠PAF=60°，
∵Rt△ADP≌Rt△FDP，
∴PA=PF，
∴△PAF為等邊三角形，
∴PD=AD=DF=1．
∴CD=2PD=2．
（2）解：延長(zhǎng)DA，CB交于G，連接PG，則PG是所求二面角的棱．
作DH⊥PG于H，連接CH，根據(jù)二垂線(xiàn)定理，CH⊥PG，
∴∠CHD是側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成二面角的平面角，
PD=1，GD=2，DH=，CD=2，，
∴側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成銳二面角的大小為arctan；
方法二：
（1）建立空間直角坐標(biāo)系如圖，
設(shè)CD=a，PD=b，
則A（1，0，0），B（1，1，0），C（0，a，0），D（0，0，0），P（0，0，b）．
設(shè)BD中點(diǎn)為M（，0），
則AM⊥平面PBD，
所以是平面PBD的一個(gè)法向量．
=（-1，a-1，0），=（0，a，-b），
設(shè)n=（x，y，z）是平面PBC的法向量，則
-x+（a-1）y=0，且ay-bz=0，
令y=1，則x=a-1，z=，
n=（a-1，1，）．
∵平面PBC⊥平面PBD，
∴•n==0，
得a=2.=（-1，1，0），=（1，0，-b），
cos 60°=，
解得b=1．所以，CD=2PD=2；
（2）由（1）知，平面PBC的法向量為n=（1，1，2），
=（1，0，0）是平面PAD的法向量，
設(shè)平面PAD與平面PBC所成的銳二面角為θ，
則cosθ=．
∴側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成銳二面角的大小為arccos．
點(diǎn)評(píng)：本題考查CD=2PD=2的證明和求側(cè)面PAD與側(cè)面PBC所成的銳二面角的大小．解題時(shí)要認(rèn)真審題，仔細(xì)解答，注意合理地進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化，把立體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題．注意向量法的合理運(yùn)用．對(duì)數(shù)學(xué)思維的要求比較高，有一定的探索性．綜合性強(qiáng)，難度大，易出錯(cuò)．