题目内容

如图,在三棱锥P-ABC中,已知PC⊥平面ABC,点C在平面PBA内的射影D在直线PB上.
(1)求证:AB⊥平面PBC;
(2)设AB=BC,直线PA与平面ABC所成的角为45°,求异面直线AP与BC所成的角;
(3)在(2)的条件下,求二面角C-PA-B的余弦值.

【答案】分析:(1)要证AB⊥平面PBC,可证AB⊥PC,AB⊥CD,由线面垂直的性质及点在面内射影的定义可证明;
(2)由PC⊥平面ABC,知∠PAC=45°,设AB=BC=1,则PC=AC=,以B为原点建立空间直角坐标系,求出点B、A、C、P坐标,进而写出的坐标,则异面直线AP与BC所成的角可转化为的夹角计算,注意其与异面角间的关系;
(3)取AC的中点E,连结BE,易证是平面PAC的一个法向量.设平面PAB的一个法向量为=(x,y,z),由可求得,从而二面角C-PA-B的余弦值可转化为两法向量的夹角余弦值,注意向量的夹角与二面角夹角的关系;
解答:证明:(1)由于PC⊥平面ABC,AB?平面ABC,所以AB⊥PC,
由于点C在平面PBA内的射影在直线PB上,
所以CD⊥平面PAB.
又因为AB?平面PBA,所以AB⊥CD.
因此AB⊥平面PCB.
解:(2)因为PC⊥平面ABC,
所以∠PAC为直线PC与平面ABC所成的角,
于是∠PAC=45°,设AB=BC=1,则PC=AC=,
以B为原点建立如图所示空间直角坐标系,
则B(0,0,0),A(0,1,0),C(1,0,0),,
,
因为,
所以异面直线AP与BC所成的角为60°;
(3)取AC的中点E,连结BE,则.
因为AB=BC,所以BE⊥AC.
又因为平面PCA⊥平面ABC,所以BE⊥平面PAC.
因此,是平面PAC的一个法向量.
设平面PAB的一个法向量为=(x,y,z),
则由,得,取z=1,得,
因此,,
于是cos<>===.
又因为二面角C-PA-B为锐角,故所求二面角的余弦值为.
点评:本题考查线面垂直、异面直线及其所成角、二面角,考查空间向量在立体几何中的应用.
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