Question

（2012•廣州一模）如圖所示，在三棱錐P-ABC中，AB=BC=

6

，平面PAC⊥平面ABC，PD⊥AC于點(diǎn)D，AD=1，CD=3，PD=

3

．
（1）證明△PBC為直角三角形；
（2）求直線AP與平面PBC所成角的正弦值．

Answer 1

分析：（1）證明1：先證明PD⊥平面ABC，在△PBC中，可得BC=

6

，PB=

6

，PC=2

3

，從而B(niǎo)C²+PB²=PC²．
證明2：先證明PD⊥平面ABC，再證明BC⊥BD，BC⊥PD，從而可得BC⊥平面PBD．
（2）解法1：過(guò)點(diǎn)A作平面PBC的垂線，垂足為H，連PH，則∠APH為直線AP與平面PBC所成的角，利用三棱錐A-PBC與三棱錐P-ABC的體積相等，可求AH的長(zhǎng)，在Rt△PAD中，，可求AP的長(zhǎng)，從而可求直線AP與平面PBC所成角的正弦值；
解法2：過(guò)點(diǎn)D作DM∥AP，設(shè)DM∩PC=M，則DM與平面PBC所成的角等于AP與平面PBC所成的角，過(guò)點(diǎn)D作DN⊥PB于點(diǎn)N，連接MN，則可得∠DMN為直線DM與平面PBC所成的角，求出DN，DE的長(zhǎng)，即可求得直線AP與平面PBC所成角的正弦值；
解法3：延長(zhǎng)CB至點(diǎn)G，使得BG=BC，連接AG、PG，過(guò)點(diǎn)A作AK⊥PG于點(diǎn)K，可證∠APK為直線AP與平面PBC所成的角，計(jì)算AG，PG的長(zhǎng)，可得直線AP與平面PBC所成角的正弦值為

6

3

；
解法4：建立空間直角坐標(biāo)系，確定

AP

=(0，1，

3

)，平面PBC的法向量，利用向量的夾角公式，可求直線AP與平面PBC所成角的正弦值．

解答：（1）證明1：因?yàn)槠矫鍼AC⊥平面ABC，平面PAC∩平面ABC=AC，PD?平面PAC，PD⊥AC，所以PD⊥平面ABC．…（1分）
記AC邊上的中點(diǎn)為E，在△ABC中，AB=BC，所以BE⊥AC．
因?yàn)?span id="cougsc4" class="MathJye">AB=BC=

6

，AC=4，所以BE=

BC2-CE2

=

( 6 )2-22

=

2

．…（3分）
因?yàn)镻D⊥AC，所以△PCD為直角三角形．
因?yàn)?span id="sgsgke4" class="MathJye">PD=

3

，CD=3，
所以PC=

PD2+CD2

=

( 3 )2+32

=2

3

．…（4分）
連接BD，在Rt△BDE中，因?yàn)?span id="y4kq2ke" class="MathJye">BE=

2

，DE=1，
所以BD=

BE2+DE2

=

( 2 )2+12

=

3

．…（5分）
因?yàn)镻D⊥平面ABC，BD?平面ABC，所以PD⊥BD．
在Rt△PBD中，因?yàn)?span id="uqo4k4u" class="MathJye">PD=

3

，BD=

3

，
所以PB=

PD2+BD2

=

( 3 )2+( 3 )2

=

6

．…（6分）
在△PBC中，因?yàn)?span id="giewimq" class="MathJye">BC=

6

，PB=

6

，PC=2

3

，
所以BC²+PB²=PC²．
所以△PBC為直角三角形．…（7分）
證明2：因?yàn)槠矫鍼AC⊥平面ABC，平面PAC∩平面ABC=AC，PD?平面PAC，PD⊥AC，
所以PD⊥平面ABC．…（1分）
記AC邊上的中點(diǎn)為E，在△ABC中，因?yàn)锳B=BC，所以BE⊥AC．
因?yàn)?span id="m2wyk4e" class="MathJye">AB=BC=

6

，AC=4，所以BE=

BC2-CE2

=

( 6 )2-22

=

2

．…（3分）
連接BD，在Rt△BDE中，因?yàn)椤螧ED=90°，BE=

2

，DE=1，
所以BD=

BE2+DE2

=

( 2 )2+12

=

3

．…（4分）
在△BCD中，因?yàn)镃D=3，BC=

6

，BD=

3

，
所以BC²+BD²=CD²，所以BC⊥BD．…（5分）
因?yàn)镻D⊥平面ABC，BC?平面ABC，
所以BC⊥PD．…（6分）
因?yàn)锽D∩PD=D，所以BC⊥平面PBD．
因?yàn)镻B?平面PBD，所以BC⊥PB．
所以△PBC為直角三角形．…（7分）
（2）解法1：過(guò)點(diǎn)A作平面PBC的垂線，垂足為H，連PH，則∠APH為直線AP與平面PBC所成的角．…（8分）
由（1）知，△ABC的面積S△ABC=

1

2

×AC×BE=2

2

．…（9分）
因?yàn)?span id="kcgmgag" class="MathJye">PD=

3

，所以VP-ABC=

1

3

×S△ABC×PD=

1

3

×2

2

×

3

=

2 6

3

．…（10分）
由（1）知△PBC為直角三角形，BC=

6

，PB=

6

，
所以△PBC的面積S△PBC=

1

2

×BC×PB=

1

2

×

6

×

6

=3．…（11分）
因?yàn)槿�棱錐A-PBC與三棱錐P-ABC的體積相等，即V_A-PBC=V_P-ABC，
即

1

3

×3×AH=

2 6

3

，所以AH=

2 6

3

．…（12分）
在Rt△PAD中，因?yàn)?span id="mq2c2og" class="MathJye">PD=

3

，AD=1，
所以AP=

PD2+AD2

=

( 3 )2+12

=2．…（13分）
因?yàn)?span id="w4yqug2" class="MathJye">sin∠APH=

AH

AP

=

2 6 3

2

=

6

3

．
所以直線AP與平面PBC所成角的正弦值為

6

3

．…（14分）
解法2：過(guò)點(diǎn)D作DM∥AP，設(shè)DM∩PC=M，則DM與平面PBC所成的角等于AP與平面PBC所成的角．…（8分）
由（1）知BC⊥PD，BC⊥PB，且PD∩PB=P，所以BC⊥平面PBD．
因?yàn)锽C?平面PBC，所以平面PBC⊥平面PBD．
過(guò)點(diǎn)D作DN⊥PB于點(diǎn)N，連接MN，則DN⊥平面PBC．
所以∠DMN為直線DM與平面PBC所成的角．…（10分）
在Rt△PAD中，因?yàn)?span id="2yauwi2" class="MathJye">PD=

3

，AD=1，
所以AP=

PD2+AD2

=

( 3 )2+12

=2．…（11分）因?yàn)镈M∥AP，所以

DM

AP

=

CD

CA

，即

DM

2

=

3

4

，所以DM=

3

2

．…（12分）
由（1）知BD=

3

，PB=

6

，且PD=

3

，
所以DN=

PD×BD

PB

=

3 × 3

6

=

6

2

．…（13分）
因?yàn)?span id="aoawasw" class="MathJye">sin∠DMN=

DN

DE

=

6 2

3 2

=

6

3

，
所以直線AP與平面PBC所成角的正弦值為

6

3

．…（14分）
解法3：延長(zhǎng)CB至點(diǎn)G，使得BG=BC，連接AG、PG，…（8分）
在△PCG中，PB=BG=BC=

6

，所以∠CPG=90°，即CP⊥PG．
在△PAC中，因?yàn)?span id="e4qm4k2" class="MathJye">PC=2

3

，PA=2，AC=4，所以PA²+PC²=AC²，
所以CP⊥PA．
因?yàn)镻A∩PG=P，所以CP⊥平面PAG．…（9分）
過(guò)點(diǎn)A作AK⊥PG于點(diǎn)K，
因?yàn)锳K?平面PAG，所以CP⊥AK．
因?yàn)镻G∩CP=P，所以AK⊥平面PCG．
所以∠APK為直線AP與平面PBC所成的角．…（11分）
由（1）知，BC⊥PB，所以PG=PC=2

3

．
在△CAG中，點(diǎn)E、B分別為邊CA、CG的中點(diǎn)，
所以AG=2BE=2

2

．…（12分）
在△PAG中，PA=2，AG=2

2

，PG=2

3

，
所以PA²+AG²=PG²，即PA⊥AG．…（13分）
因?yàn)?span id="mgkq4gi" class="MathJye">sin∠APK=

AG

PG

=

2 2

2 3

=

6

3

．
所以直線AP與平面PBC所成角的正弦值為

6

3

．…（14分）
解法4：以點(diǎn)E為坐標(biāo)原點(diǎn)，以EB，EC所在的直線分別為x軸，y軸建立如圖的空間直角坐標(biāo)系E-xyz，…（8分）
則A（0，-2，0），B(

2

，0，0)，C（0，2，0），P(0，-1，

3

)．
于是