Question

如圖，在四棱錐P-ABCD中，頂點P在底面ABCD內的射影恰好落在AB的中點O上，又∠BAD=90°，BC∥AD，且BC：AB：AD=1：2：2．
（1）求證：PD⊥AC；
（2）若PO=BC，求直線PD與AB所成的角；
（3）若平面APB與平面PCD所成的角為60°，求的值．

Answer 1

【答案】分析：（1）以O為坐標原點，AB所在直線為x軸，OP所在直線為z軸，建立空間直角坐標系o-xyz，求出向量，的坐標，代入數量積公式，驗證其數量積與0的關系，即可得到結論．
（2）由PO=BC，得h=a，求出向量，的坐標，代入向量夾角公式，即可求出直線PD與AB所成的角；
（3）求出平面APB與平面PCD的法向量，根據平面APB與平面PCD所成的角為60°，構造關于h的方程，解方程即可得到的值．
解答：解：因為AB中點O為點P在平面ABCD內的射影，所以PO⊥底面ABCD．以O為坐標原點，AB所在直線為x軸，OP所在直線為z軸，建立空間直角坐標系o-xyz（如圖）．
（1）設BC=a，OP=h則依題意得：B（a，0，0），A（-a，0，0），
P（0，0，h），C（a，a，0），D（-a，2a，0）．
∴=（2a，a，0），=（-a，2a，-h），（4分）
于是•=-2a²+2a²=0，∴PD⊥AC；
（2）由PO=BC，得h=a，于是P（0，0，a），（5分）
∵=（2a，0，0），=（-a，2a，-a），
∴•=-2a²，cos＜，＞==，
∴直線PD與AB所成的角的余弦值為；
（3）設平面PAB的法向量為m，可得m=（0，1，0），
設平面PCD的法向量為n=（x，y，z），由=（a，a，-h），=（-a，2a，-h），
∴，解得n=（1，2，），∴m•n=2，
cos＜m，n＞=，
∵二面角為60°，∴=4，
解得=，即=．（5分）
點評：本題考查的知識點是直線與平面所成的角，異面直線及其所成的角，其中建立空間坐標系，求出相應直線的方向向量及相關平面的法向量，將線面夾角問題轉化為向量夾角問題是解答本題的關鍵．