题目内容

【题目】如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为2的菱形,∠ABC=60°,为正三角形,且侧面PAB⊥底面ABCD, 为线段的中点, 在线段上.

(I)当是线段的中点时,求证:PB // 平面ACM;

(II)求证: ;

(III)是否存在点,使二面角的大小为60°,若存在,求出的值;若不存在,请说明理由.

【答案】(Ⅰ)见解析;(Ⅱ)见解析;(Ⅲ)当时,二面角的大小为60°.

【解析】试题分析:(1) 连接BD交AC于H点,由三角形中位线性质得MH // BP ,再根据线面平行判定定理得结论(2)由面面垂直性质定理得PE⊥平面ABCD,即得;(3)先根据条件建立空间直角坐标系,设列各点坐标,由方程组解得各面法向量,根据向量数量积求法向量夹角,再根据二面角与法向量之间关系列方程,解得的值

试题解析:(I)证明:连接BD交AC于H点,连接MH,

因为四边形ABCD是菱形,

所以点H为BD的中点.

又因为M为PD的中点,

所以MH // BP.

又因为 BP 平面ACM, 平面ACM.

所以 PB // 平面ACM.

(II)证明:因为为正三角形,E为AB的中点,

所以PE⊥AB .

因为平面PAB⊥平面ABCD,平面PAB∩平面ABCD=AB,PE平面PAB,

所以PE⊥平面ABCD.

又因为平面,

所以.

(Ⅲ) 因为ABCD是菱形,∠ABC=60°,E是AB的中点,

所以CE⊥AB .

又因为PE⊥平面ABCD,

以为原点,分别以为轴,

建立空间直角坐标系,

则, ,

, , .

假设棱上存在点,设点坐标为, ,

则,

所以,

所以, ,

设平面的法向量为,则

,解得.

令,则,得.

因为PE⊥平面ABCD,

所以平面ABCD的法向量,

所以.

因为二面角的大小为60°,

所以,

即,

解得,或(舍去)

所以在棱PD上存在点,当时,二面角的大小为60°.

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