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 [2012·全国卷] 如图1-1,四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为菱形,PA⊥底面ABCD,AC=2,PA=2,E是PC上的一点,PE=2EC.

(1)证明:PC⊥平面BED;

(2)设二面角A-PB-C为90°,求PD与平面PBC所成角的大小.

图1-1

解:方法一:(1)证明:因为底面ABCD为菱形,所以BD⊥AC,又PA⊥底面ABCD,所以PC⊥BD.

设AC∩BD=F,连结EF.因为AC=2,

PA=2,PE=2EC,故

PC=2,EC=,FC=,

从而=,=.

因为=,∠FCE=∠PCA,所以

△FCE∽△PCA,∠FEC=∠PAC=90°,

由此知PC⊥EF.

PC与平面BED内两条相交直线BD,EF都垂直,所以PC⊥平面BED.

(2)在平面PAB内过点A作AG⊥PB,G为垂足.

因为二面角A-PB-C为90°,所以平面PAB⊥平面PBC.

又平面PAB∩平面PBC=PB,

故AG⊥平面PBC,AG⊥BC.

BC与平面PAB内两条相交直线PA,AG都垂直,故BC⊥平面PAB,于是BC⊥AB,所以底面ABCD为正方形,AD=2,PD==2.

设D到平面PBC的距离为d.

因为AD∥BC,且AD⊄平面PBC,BC⊂平面PBC,故AD∥平面PBC,A、D两点到平面PBC的距离相等,即d=AG=.

设PD与平面PBC所成的角为α,则sinα==.

所以PD与平面PBC所成的角为30°.

方法二:(1)以A为坐标原点,射线AC为x轴的正半轴,建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz.

设C(2,0,0),D(,b,0),其中b>0,则P(0,0,2),E,B(,-b,0).

于是=(2,0,-2),=,=,从而·=0,

·=0,故PC⊥BE,PC⊥DE.

又BE∩DE=E,所以PC⊥平面BDE.

(2)=(0,0,2),=(,-b,0).

设m=(x,y,z)为平面PAB的法向量,则m·=0,m·=0,

即2z=0且x-by=0,

令x=b,则m=(b,,0).

设n=(p,q,r)为平面PBC的法向量,则

n·=0,n·=0,

即2p-2r=0且+bq+r=0,

令p=1,则r=,q=-,n=.

因为面PAB⊥面PBC,故m·n=0,即b-=0,故b=,于是n=(1,-1,),=(-,-,2),

cos〈n,〉==,

〈n,〉=60°.

因为PD与平面PBC所成的角和〈n,〉互余,

故PD与平面PBC所成的角为30°.

G6  三垂线定理

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