题目内容

【题目】在四棱锥P﹣ABCD中,PA⊥平面ABCD,△ABC是正三角形,AC与BD的交点M恰好是AC中点,又PA=AB=4,∠CDA=120°,点N在线段PB上,且PN= .
(Ⅰ)求证:BD⊥PC;
(Ⅱ)求证:MN∥平面PDC;
(Ⅲ)求二面角A﹣PC﹣B的余弦值.

【答案】证明:(I)∵△ABC是正三角形,M是AC中点,
∴BM⊥AC,即BD⊥AC.
又∵PA⊥平面ABCD,∴PA⊥BD.
又PA∩AC=A,∴BD⊥平面PAC.
∴BD⊥PC.
(Ⅱ)在正△ABC中,BM=2 .
在△ACD中,∵M为AC中点,DM⊥AC,∴AD=CD.
∠ADC=120°,∴ ,
∴ .
在等腰直角△PAB中,PA=AB=4,PB=4 ,
∴ ,
∴ ,
∴MN∥PD.
又MN平面PDC,PD平面PDC,
∴MN∥平面PDC.
(Ⅲ)∵∠BAD=∠BAC+∠CAD=90°,
∴AB⊥AD,分别以AB,AD,AP为x轴,y轴,z轴建立如图的空间直角坐标系,
∴B(4,0,0),C , ,P(0,0,4).
由(Ⅱ)可知, 为平面PAC的法向量.
, .
设平面PBC的一个法向量为 ,
则 ,即 ,
令z=3,得x=3, ,则平面PBC的一个法向量为 ,
设二面角A﹣PC﹣B的大小为θ,则 .
所以二面角A﹣PC﹣B余弦值为 .

【解析】(Ⅰ)由正三角形的性质可得BD⊥AC,利用线面垂直的性质可知PA⊥BD,再利用线面垂直的判定定理即可证明BD⊥PC;(Ⅱ)利用已知条件分别求出BM、MD、PB,得到 ,即可得到MN∥PD,再利用线面平行的判定定理即可证明;(Ⅲ)通过建立空间直角坐标系,利用两个平面的法向量的夹角即可得到二面角的平面角.

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