题目内容

在四棱锥P―ABCD中,底面ABCD是一直角梯形,∠BAD = 90°, AD∥BC,AB = BC = a ,AD = 2a , PA⊥底面ABCD,PD与底面成30°角。

(1)若AE⊥PD,E为垂足,求证:BE⊥PD;

(2)在(1)的条件下,求异面直线AE与CD所成的角余弦值;

(3)求平面PAB与平面PCD所成的二面角的正切值。

解法一:(1)∵∠BAD = 90°,∴BA⊥AD

∵PA⊥底面ABCD,      ∴BA⊥PA

又∵PA∩AD = A         ∴BA⊥平面PAD

∵PD平面PAD       ∴PD⊥BA 。

又∵PD⊥AE ,且BA∩AE = A

∴PD⊥平面BAE        ∴PD⊥BE ,即BE⊥PD

(2)过点E作EM∥CD交PC于M,连结AM。则AE与ME所成角即为AE与CD所成角。

∵PA⊥底面ABCD,且PD与底面ABCD成30°角

∴∠PDA = 30°

∴在Rt△PAD中,∠PAD = 90°∠PDA = 30°, AD = a

∴PA =, PD =

∴AE =      

∴ME =

连结AC

∵在△ACD中AD = 2a ,AC = , CD =,

∴AD2 = AC2 + CD2

∴∠ACD = 90°,      ∴CD⊥AC ,∴ME⊥AC ,

又∵PA⊥底面ABCD,  ∴PA⊥CD ,∴ME⊥PA

∴ME⊥平面PAC 。  ∵MA平面PAC

∵ME⊥AM        ∴在Rt△PME中,cos∠MEA =

∴异面直线AE与CD所成角的余弦值为

(3)延长AB与DC相交于G点,连PG,则面PAB与面PCD的交线为PG, 易知CB

⊥平面PAB,过B作BF⊥PG于F点,连CF,则CF⊥PG,

∴∠CFB为二面角C―PG―A的平面角,

=

 
∵CB∥AD,

∴GB=AB = a , ∠PDA = 30°,PA = ,AG = 2a

∴∠PGA = 30°

∴BF =GB =

∴平面PAB与平面PCD所成的二面角的正切值为2

解法二:(1)如图建立空间直角标系,   

    

则A ( 0, 0 ,0 ) , B ( a , 0 , 0 ) , E ( 0 , a , ) ,

C ( a , a , 0 ), D ( 0 , 2a , 0 ) , P ( 0 , 0 , )

∴,

∴? = ( a)×0 +a ?2a +? = 0

∴BE⊥PD

(2)由(1)知,=, = ( a , a , 0 )

设与所成角为

则cos=

∴异面直线AE与CD所成角的余弦值为

(3)易知,CD⊥AB, CB⊥PA,

则CB⊥平面PAB。∴是平面PAB的法向量

∴= ( 0 , a , 0 )

又设平面PCD的一个法向量为m = ( x , y , z )

则m⊥PC , m⊥CD .而= ( a , a , ) , ( a , a , 0 )

∴由m?= 0 , m?= 0

得 ∴

令y = 1 ∴m = ( 1 , 1 , )

设向量与m所成角为,

则cos=

∴tan= 2

∴平面PAB与平面PCD所成二面角的正切值为2

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