题目内容

【题目】如图,在四校锥P﹣ABCD中,底面ABCD是菱形,∠BAD=60°,边长为4的正△PAD所在平面与平面ABCD垂直,点E是AD的中点,点Q是侧棱PC的中点.

(1)求四棱锥P﹣ABCD的体积;

(2)求证:PA∥平面BDQ;

(3)在线段AB上是否存在点F,使直线PF与平面PAD所成的角为30°?若存在,求出AF的长,若不存在,请说明理由?

【答案】(1)16;(2)见解析;(3)存在,AF

【解析】

(1)根据底面ABCD是菱形,且∠BAD=60°,边长为4,求面积,再由正△PAD所在平面与平面ABCD垂直,,得到平面ABCD,PE是底面上的高,然后代入体积公式求解.

(2)由O是AC中点,点Q是侧棱PC的中点,根据中位线得到OQ∥PA,再利用线面平行的判定理证明.

(3)建立空间直角坐标系,设在线段AB上存在点F,且,求得相应点的坐标,进而得到向量的坐标,再利用直线PF与平面PAD所成的角为30°,代入线面角的向量法公式求解.

(1)

如图所示:连结PE,BE,

∵在四棱锥P﹣ABCD中,底面ABCD是菱形,∠BAD=60°,边长为4,

∴S四边形ABCD=AD×BE=48,

又因为正△PAD所在平面与平面ABCD垂直,

所以平面ABCD,

又PE2,

∴四棱锥P﹣ABCD的体积:VP﹣ABCD16.

(2)证明:连结AC,BD,交于点O,连结OQ,

∵底面ABCD是菱形,∴O是AC中点,

∵点Q是侧棱PC的中点,

∴OQ∥PA,∵PA平面BDQ,OQ平面BDQ,

∴PA∥平面BDQ.

(3)以E为原点,EA为x轴,EB为y轴,EP为z轴,建立空间直角坐标系,

A(2,0,0),B(0,2,0),P(0,0,2),

设在线段AB上存在点F,使直线PF与平面PAD所成的角为30°,

且F(a,b,c),,即(a﹣2,b,c)=(﹣2λ,2,0),λ∈[0,1],

即a=2﹣2λ,b=2λ,c=0,∴F(2﹣2λ,2,0),

因为平面PAD的法向量(0,1,0),

(2﹣2,﹣2),且直线PF与平面PAD所成的角为30°,

∴sin30°,

解得,符合λ∈[0,1],

∴AF=λAB.

∴在线段AB上存在点F,使直线PF与平面PAD所成的角为30°,且AF.

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