题目内容

如图,已知四棱锥P -ABCD,底面ABCD为菱形,PA平面ABCD, ,

E,F分别是BC,PC的中点。

(I)证明:AEPD;

(Ⅱ)若H为PD上的动点,EH与平面PAD所成最大角的正切值为,求二面角E―AF―C的余弦值。

(Ⅰ)证明:由四边形ABCD为菱形,∠ABC=60°,可得△ABC为正三角形.因为E为BC的中点,所以AE⊥BC.又BC∥AD,因此AE⊥AD. 因为PA⊥平面ABCD,AE平面ABCD,所以PA⊥AE. 而PA平面PAD,AD平面PAD且PA∩AD=A,所以AE⊥平面PAD,又PD平面PAD. 所以AE⊥PD.

(Ⅱ)解:设AB=2,H为PD上任意一点,连接AH,EH.

由(Ⅰ)知   AE⊥平面PAD,则∠EHA为EH与平面PAD所成的角.

在Rt△EAH中,AE=,所以  当AH最短时,∠EHA最大,

即当AH⊥PD时,∠EHA最大. 此时tan∠EHA=

因此AH=.又AD=2,所以∠ADH=45°,所以PA=2.

解法一:因为   PA⊥平面ABCD,PA平面PAC,所以   平面PAC⊥平面ABCD.

过E作EO⊥AC于O,则EO⊥平面PAC,

过O作OS⊥AF于S,连接ES,则∠ESO为二面角E-AF-C的平面角,

  

在Rt△AOE中,EO=AE?sin30°=,AO=AE?cos30°=,

又F是PC的中点,在Rt△ASO中,SO=AO?sin45°=,

又

在Rt△ESO中,cos∠ESO=

即所求二面角的余弦值为

解法二:由(Ⅰ)知AE,AD,AP两两垂直,以A为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,又E、F分别为BC、PC的中点,所以E、F分别为BC、PC的中点,所以

A(0,0,0),B(,-1,0),C(,1,0),

D(0,2,0),P(0,0,2),E(,0,0),F(),

所以

设平面AEF的一法向量为

则     因此

取

因为BD⊥AC,BD⊥PA,PA∩AC=A,

所以BD⊥平面AFC,

故为平面AFC的一法向量.

又=(-),

所以cos<m, >==

因为   二面角E-AF-C为锐角,

所以所求二面角的余弦值为

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