题目内容
【题目】如图,在四棱锥P-ABCD中,侧面PAB⊥底面ABCD,底面ABCD为矩形,PA=PB,O为AB的中点,OD⊥PC.
(Ⅰ) 求证:OC⊥PD;
(II)若PD与平面PAB所成的角为30°,求二面角D-PC-B的余弦值.
【答案】(I)详见解析(II)
【解析】
(Ⅰ)连结OP,推导出OP⊥AB,从而OP⊥平面ABCD,由OP⊥OD,OP⊥OC,得OD⊥OC,再由OP⊥OC,能证明OC⊥PD.
(Ⅱ)取CD的中点E,以O为原点,OE,OB,OP所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系O-xyz.求出平面DPC与平面BPC的法向量,由此能求出二面角D﹣PC﹣B的余弦值.
(I)证明 如图,连接OP.
∵PA=PB,O为AB的中点,
∴OP⊥AB.
∵侧面PAB⊥底面ABCD,
∴OP⊥平面ABCD,
∴OP⊥OD,OP⊥OC.
∵OD⊥PC,∴OD⊥平面OPC,
∴OD⊥OC,
又OP⊥OC,OP∩OD=O,
∴OC⊥平面OPD,
∴OC⊥PD.
(II)解:法一 取CD的中点E,以O为原点,OE,OB,OP所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系O-xyz.在矩形ABCD中,由(1)得OD⊥OC,∴AB=2AD,不妨设AD=1,则AB=2.
∵侧面PAB⊥底面ABCD,底面ABCD为矩形,
∴DA⊥平面PAB,CB⊥平面PAB,△DPA≌△CPB,
∴∠DPA为直线PD与平面PAB所成的角,
∴∠DPA=30°,∠CPB=30°,PA=PB=,
∴B(0,1,0),C(1,1,0),D(1,-1,0),P(0,0,),从而=(1,1,-),=(0,-2,0).
设平面PCD的法向量为n1=(x1,y1,z1),
由得可取n1=(,0,1).
同理,可取平面PCB的一个法向量为n2=(0,-,-1).
于是cos〈n1,n2〉==-,
∴二面角D-PC-B的余弦值为-.
法二 在矩形ABCD中,由(1)得OD⊥OC,∴AB=2AD,不妨设AD=1,则AB=2.
∵侧面PAB⊥底面ABCD,底面ABCD为矩形,
∴DA⊥平面PAB,CB⊥平面PAB,△DPA≌△CPB,
∴∠DPA为直线PD与平面PAB所成的角,
∴∠DPA=30°,∠CPB=30°,PA=PB=,
∴DP=CP=2,
∴△PDC为等边三角形.
设PC的中点为M,连接DM,则DM⊥PC.
在Rt△CBP中,过M作NM⊥PC,交PB于点N,连接ND,则∠DMN为二面角D-PC-B的一个平面角.
由于∠CPB=30°,PM=1,故在Rt△PMN中,MN=,PN=.
∵cos∠APB==,
∴AN2=+3-2×××=3,
∴ND2=3+1=4,
∴cos∠DMN==-,
即二面角D-PC-B的余弦值为-.