三、解答题
(20) (本小题满分12分)
如图,已知四棱锥P-ABCD的底面ABCD为等腰梯形,AB∥CD,AC⊥BD,AC与BD
相交于点O,且顶点P在底面上的射影恰为O点,又BO=2,PO=,PB⊥PD.
(Ⅰ)求异面直线PD与BC所成角的余弦值;
(Ⅱ)求二面角P-AB-C的大小;
(Ⅲ)设点M在棱PC上,且为何值时,PC⊥平面BMD.
解法一:
∵PO⊥平面ABCD,∴PO⊥BD.
又PB⊥PD,BO=2,PO=,
由平面几何知识得: OD=1,PD=,PB=.
(Ⅰ)过D作DE∥BC交于AB于E.连结PE,则
∠PDE或其补角为异面直线PD与BC所成的角.
∵四边形ABCD是等腰梯形,
∴OC=OD=1,OB=OA=2,OA⊥OB,
∴BC=,AB=2,CD=
又AB∥DC,
∴四边形EBCD是平行四边形.
∴ED=BC=,BE=CD=.
∴E是AB的中点,且AE=.
又PA=PB=,
∴△PEA为直角三角形.
∴PE=.
在△PED中,由余弦定理得:
cos∠PDE=.
故异面直线PD与BC所成的角的余弦值为.
(Ⅱ)连结OE,由(Ⅰ)及三垂线定理知,∠PEO为二面角P-AB-C的平面角.
∴sin∠PEO=,
∴∠PEO=45°.
∴二面角P-AB-C的大小为45°.
(Ⅲ)连结MD,MB,MO,
∵PC⊥平面BMD,OM平面BMD,
∴PC⊥OM.
又在Rt△POC中,
PC=PD=,OC=1,PO=,
∴PM=,MC=,
∴=2.
故λ=2时,PC⊥平面BMD.
解法二:
∵PO⊥平面ABCD,
∴PO⊥BD.
又PB⊥PD,BO=2,PO=,
由平面几何知识得:
OD=OC=1,BO=AO=2.
以O为原点,OA,OB,OP分别为x,y,z轴建立如图所示的空间直角
坐标系,则各点坐标为O(0,0,0),A(2,0,0),B(0,2,0),
C(-1,0,0),D(0,-1,0),P(0,0,).
(Ⅰ)∵=(0,-1,-),
=(-1,-2,0),
∴||=,||=,·=2.
∴cos<,>=
=
故直线PD与BC所成的角的余弦值为.
(Ⅱ)设平面PAB的一个法向量为n=(x,y,z),
由于=(-2,2,0),=(-2,0,),
由
得
取n=(1,1,),又易知平面ABCD的一个法向量m=(0,0,1),
又二面角P-AB-C为锐角,
∴所求二面角P-AB-C的大小为45°.
(Ⅲ)设M(x0,0,z0),由于P,M,C三点共线,
z0=x0+, (1)
∵PC⊥平面BMD,
∴OM⊥PC.
∴(-1,0,-)·(x0,0,z0)=0
∴x0+z0=0. (2)
由(1)(2)知:
x0=-,z0=.
∴M(-,0,).
∴λ==2.
故λ=2时,PC⊥平面BMD.
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