题目内容
【题目】(本题满分12分)如图,在四棱锥P—ABCD中,已知PA⊥平面ABCD,且四边形ABCD为直角梯形,∠ABC=∠BAD=,PA=AD=2,AB=BC=1.
(1)求点D到平面PBC的距离;
(2)设Q是线段BP上的动点,当直线CQ与DP所成的角最小时,求二面角B-CQ-D的余弦值.
【答案】(1).
(2).
【解析】分析:(1)利用等体积法即可;
(2)建立空间直角坐标系,利用换元法可得,再结合函数在上的单调性,计算即得结论.
详解:(1)S△BCD=BC×AB=, 由于PA⊥平面ABCD,从而PA即为三棱锥P-BCD的高,故VP-BCD=S△BCD×PA=.
设点D到平面PBC的距离为h.
由PA⊥平面ABCD得PA⊥BC,又由于BC⊥AB,故BC⊥平面PAB,所以BC⊥PB.
由于BP==,所以S△PBC=BC×PB=.故VD-BCP=S△BCP×h=h
因为VP-BCD=VD-BCP,所以h=.
(2)以{,, }为正交基底建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz,则各点的坐标为B(1,0,0),C(1,1,0),D(0,2,0),P(0,0,2).
设=λ,(0≤λ≤1)
因为=(-1,0,2),所以=(-λ,0,2λ),
由=(0,-1,0),得=+=(-λ,-1,2λ),
又=(0,-2,2),
从而cos〈,〉==.
设1+2λ=t,t∈[1,3],
则cos2〈,〉==≤.
当且仅当t=,即λ=时,|cos〈,〉|的最大值为.
因为y=cos x在上是减函数,此时直线CQ与DP所成角取得最小值.
又因为BP==,所以BQ=BP=.
=(0,-1,0),=(1,1,-2)
设平面PCB的一个法向量为m=(x,y,z),
则m·=0,m·=0,
即得: y=0,令z=1,则x=2.
所以m=(2,0,1)是平面PCB的一个法向量.
又=+=(-λ,-1,2λ)=(-,-1,),=(-1,1 ,0)
设平面DCQ的一个法向量为n=(x,y,z),
则n·=0,n·=0,
即取x=4,则 y=4,z=7,
所以n=(4,4,7)是平面DCQ的一个法向量.
从而cos〈m,n〉==,
又由于二面角B-CQ-D为钝角,所以二面角B-CQ-D的余弦值为-.