题目内容

如图,四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是梯形,AD∥BC,且AD=BC,AB⊥AC,AB=AC=2,PA⊥平面ABCD,且E是BC中点,四面体P-BCA的体积为.
(I)求异面直线AE与PC所成角的余弦值;
(Ⅱ)求点D到平面PBA的距离;
(Ⅲ)棱PC上是否存在点F,使DF⊥AC?若存在,求的值;若不存在,说明理由.

【答案】分析:(I)以AB为x轴,以AC为y轴,以AP为z轴,建立空间直角坐标系,由题设知,,由此能求出异面直线AE与PC所成角的余弦值.
(Ⅱ)由底面ABCD是梯形,AD∥BC,且AD=BC,AB⊥AC,AB=AC=2,知,故,由平面PBA的法向量,能求出点D到平面PBA的距离.
(Ⅲ)设棱PC上是存在点F,使DF⊥AC时=t,由,知,由此能导出棱PC上是存在点F,使DF⊥AC,此时=3.
解答:解:(I)以AB为x轴,以AC为y轴,以AP为z轴,建立空间直角坐标系,
∵四棱锥P-ABCD中,AB=AC=2,PA⊥平面ABCD,E是BC中点,
∴E(1,1,0),C(0,2,0),
∵四面体P-BCA的体积为,
∴,∴AP=4,∴P(0,0,4),
∴,,
设异面直线AE与PC所成角为α,
则cosα=|cos<,>|=||=||=.
(Ⅱ)∵底面ABCD是梯形,AD∥BC,且AD=BC,AB⊥AC,AB=AC=2,
∴,=,
∴,∴,
∵平面PBA的法向量,
∴点D到平面PBA的距离d===.
(Ⅲ)设棱PC上是存在点F,使DF⊥AC时=t,
∵,∴,
∴=()+(0,2t,-4t)=(),
∵,,
∴0+4t-3+0=0,t=,
∴=3.
故棱PC上是存在点F,使DF⊥AC,此时=3.
点评:本题考查异面直线所成角的余弦值的求法,点到平面的距离的计算,探索线段上点的存在性.综合性强,难度大,有一定的探索性,是高考的重点.解题时要认真审题,仔细解答,注意向量法的合理运用.
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