Question

如圖：PD⊥平面ABCD，四邊形ABCD為直角梯形，AB∥CD，∠ADC=90°，PD=CD=2AD=2AB=2，EC=2PE．
（Ⅰ）求證：PA∥平面BDE；
（Ⅱ）求證：平面BDP⊥平面PBC；
（Ⅲ）求二面角B-PC-D的余弦值．

Answer 1

【答案】分析：（1）要證明線面平行，關鍵是在平面內找到一條可能與已知直線平行的直線，觀察到平面BDE中三條已知直線與AE都不平行，故我們要考慮在平面BDE中做一條與PA可能平行直線輔助線，然后再進行證明．
（2）要證明平面BDP⊥平面PBC，我們關鍵是在一個平面內找到一條與另一個平面垂直的直線，觀察圖形，在平面PBC中，BC可能與平面BDP垂直，故可以其為切入點進行證明．
（3）要求二面角的余弦，要先構造出二面角的平面角，然后利用解三角形的方法，求出這個平面角的余弦值，進而給出二面角的余弦值．
我們也可以構造空間直角坐標系，求出各點的坐標，進行求出相應直線的方向向量和平面的法向量，利用向量法進行求解．
解答：解法一：
證明：建立如圖所示的坐標系，
（Ⅰ）A（1，0，0），B（1，1，0），C（0，2，0），D（0，0，0），P（0，0，2）
，，
設，
可得
因為PA?平面BDE，
所以PA∥平面BDE
（Ⅱ）因為
所以BC⊥BD
因為PD⊥平面ABCD，所以BC⊥PD
所以BC⊥平面PBD，
所以平面BDP⊥平面PBC．
（Ⅲ）因為AD⊥DC，AD⊥PD
所以是平面PDC的法向量，，設平面PBC的法向量為，
由得：，
設二面角B-PC-D為θ，則cosθ=
所以二面角B-PC-D余弦值為．

解法二：
（Ⅰ）連接AC交BD于G，連接EG，
∵AB∥CD
∴，由已知，
得，
∴PA∥EG，
∵EG?平面DEG，PA∉平面DEG
∴PA∥平面DEG．

（Ⅱ）由已知可得，，取CD的中點O，連接BO，ABOD為正方形，
，所以BD²+BC²=CD²由勾股定理的逆定理知BC⊥BD，
因為BC⊥PD，所以BC⊥平面BDP，所以平面BDP⊥平面PBC
（Ⅲ）BO⊥CD，BO⊥PD，所以BO⊥平面PDC，BO⊥PC
在平面PDC內作OM⊥PC交PC于點M，
所以PC⊥平面BOM
連接BM，BM⊥PC，∠BMO是二面角B-PC-D的平面角．
在Rt△BMO中，OB=1，，，
所以二面角B-PC-D余弦值為
點評：判斷或證明線面平行的常用方法有：①利用線面平行的定義（無公共點）；②利用線面平行的判定定理（a?α，b?α，a∥b⇒a∥α）；③利用面面平行的性質定理（α∥β，a?α⇒a∥β）；④利用面面平行的性質（α∥β，a?α，a?，a∥α⇒?a∥β）．