解答题
19. (本小题满分12分)
如图,在四棱锥P—ABCD中,底面ABCD是正方形,侧棱PD⊥底面ABCD,
PD=DC,E是PC的中点,作EF⊥PB交PB于点F。
(1)证明PA//平面EDB;
(2)证明PB⊥平面EFD;
(3)求二面角C—PB—D的大小。
本小题考查直线与平面平行,直线与平面垂直,二面角等基础知识,
考查空间想象能力和推理论证能力,满分12分。
方法一:
(1)证明:连结AC,AC交BD于O,连结EO。
∵底面ABCD是正方形,∴点O是AC的中点
在中,EO是中位线,∴PA
// EO
而平面EDB且
平面EDB,
所以,PA // 平面EDB
(2)证明:
∵PD⊥底面ABCD且底面ABCD,∴
∵PD=DC,可知是等腰直角三角形,而DE是斜边PC的中线,
∴。
①
同样由PD⊥底面ABCD,得PD⊥BC。
∵底面ABCD是正方形,有DC⊥BC,∴BC⊥平面PDC。
而平面PDC,∴
。
②
由①和②推得平面PBC。
而平面PBC,∴
又且
,所以PB⊥平面EFD。
(3)解:由(2)知,,故
是二面角C—PB—D的平面角。
由(2)知,。
设正方形ABCD的边长为a,则
,
。
在中,
。
在中,
,∴
。
所以,二面角C—PB—D的大小为。
方法二:如图所示建立空间直角坐标系,D为坐标原点,设。
(1)证明:连结AC,AC交BD于G,连结EG。
依题意得。
∵底面ABCD是正方形,∴G是此正方形的中心,故点G的坐标为且
。
∴,这表明PA//EG。
而平面EDB且
平面EDB,∴PA//平面EDB。
(2)证明;依题意得,
。又
,
故。
∴。
由已知,且
,所以
平面EFD。
(3)解:设点F的坐标为,
,则
。
从而。所以
。
由条件知,
,即
,解得
∴点F的坐标为,且
,
∴
即,故
是二面角C—PB—D的平面角。
∵,且
,
,
∴。
∴。
所以,二面角C—PB—D的大小为。
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