题目内容

【题目】如图,在四棱锥PABCD中,侧面PAB⊥底面ABCD,底面ABCD为矩形,PAPBOAB的中点,ODPC.

(Ⅰ) 求证:OCPD

(II)若PD与平面PAB所成的角为30°,求二面角DPCB的余弦值.

【答案】(I)详见解析(II)

【解析】

(Ⅰ)连结OP,推导出OPAB,从而OP⊥平面ABCD,由OPODOPOC,得ODOC,再由OPOC,能证明OCPD

(Ⅱ)CD的中点E,以O为原点,OEOBOP所在的直线分别为xyz轴建立空间直角坐标系Oxyz.求出平面DPC与平面BPC的法向量,由此能求出二面角DPCB的余弦值.

(I)证明 如图,连接OP.

PAPBOAB的中点,

OPAB.

∵侧面PAB⊥底面ABCD

OP⊥平面ABCD

OPODOPOC.

ODPC,∴OD⊥平面OPC

ODOC

OPOCOPODO

OC⊥平面OPD

OCPD.

(II)解:法一 取CD的中点E,以O为原点,OEOBOP所在的直线分别为xyz轴建立空间直角坐标系Oxyz.在矩形ABCD中,由(1)得ODOC,∴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PABCB⊥平面PAB,△DPA≌△CPB

∴∠DPA为直线PD与平面PAB所成的角,

∴∠DPA=30°,∠CPB=30°,PAPB

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=(x1y1z1),

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〈n1n2〉==-

∴二面角DPCB的余弦值为-.

法二 在矩形ABCD中,由(1)得ODOC,∴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PABCB⊥平面PAB,△DPA≌△CPB

∴∠DPA为直线PD与平面PAB所成的角,

∴∠DPA=30°,∠CPB=30°,PAPB

DPCP=2,

∴△PDC为等边三角形.

PC的中点为M,连接DM,则DMPC.

在Rt△CBP中,过MNMPC,交PB于点N,连接ND,则∠DMN为二面角DPCB的一个平面角.

由于∠CPB=30°,PM=1,故在Rt△PMN中,MNPN.

∵cos∠APB

AN2+3-2×××=3,

ND2=3+1=4,

∴cos∠DMN=-

即二面角DPCB的余弦值为-.

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