Question

如圖，在三棱錐A-BCD中，側(cè)面ABD、ACD是全等的直角三角形，AD是公共的斜邊，且AD=，BD=CD=1，另一個側(cè)面是正三角形．
（1）求證：AD⊥BC．
（2）求二面角B-AC-D的大小．
（3）在直線AC上是否存在一點(diǎn)E，使ED與面BCD成30°角？若存在，確定E的位置；若不存在，說明理由．

Answer 1

【答案】分析：（1）方法一：根據(jù)三垂線定理可得：作AH⊥面BCD于H，連DH．由長度計(jì)算可得：BHCD是正方形，所以DH⊥BC，則AD⊥BC．
方法二：證明異面直線垂直，也可以先證明直線與平面垂直：取BC的中點(diǎn)O，連AO、DO，則有AO⊥BC，DO⊥BC，所以BC⊥面AOD
（2）二面角的度量關(guān)鍵在于作出它的平面角，常用的方法就是三垂線定理．作BM⊥AC于M，作MN⊥AC交AD于N，則∠BMN就是二面角B-AC-D的平面角，再根據(jù)余弦定理即可求得cos∠BMN的大小．
（3）直線與平面所成的角，需先作出平面的垂線：設(shè)E是所求的點(diǎn)，作EF⊥CH于F，連FD．則EF∥AH，所以EF⊥面BCD，∠EDF就是ED與面BCD所成的角，則∠EDF=30°．
解答：解：（1）方法一：作AH⊥面BCD于H，連DH．
AB⊥BD⇒HB⊥BD，又AD=，BD=1
∴AB==BC=AC
∴BD⊥DC
又BD=CD，則BHCD是正方形，
則DH⊥BC∴AD⊥BC
方法二：取BC的中點(diǎn)O，連AO、DO
則有AO⊥BC，DO⊥BC，∴BC⊥面AOD
∴BC⊥AD
（2）作BM⊥AC于M，作MN⊥AC交AD于N，則∠BMN就是二面角B-AC-D的平面角，因?yàn)锳B=AC=BC=
∵M(jìn)是AC的中點(diǎn)，則BM=，MN=CD=，BN=AD=，由余弦定理可求得cos∠BMN=
∴∠BMN=arccos
（3）設(shè)E是所求的點(diǎn)，作EF⊥CH于F，連FD．則EF∥AH，
∴EF⊥面BCD，∠EDF就是ED與面BCD所成的角，
則∠EDF=30°．
設(shè)EF=x，易得AH=HC=1，則CF=x，F(xiàn)D=，
∴tan∠EDF===
解得x=，
則CE=，x=1
故線段AC上存在E點(diǎn)，且CE=1時，ED與面BCD成30°角．
點(diǎn)評：本小題主要考查棱錐的結(jié)構(gòu)特征，二面角和線面關(guān)系等基本知識，同時考查空間想象能力和推理、運(yùn)算能力．