解答题如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为2的正方形,PD⊥底面ABCD,PD=DC,点E是PC的中点,点F在PB上,EF⊥PB.
(I)求证:PA∥平面BDE;
(II)求证:PB⊥平面DEF;
(III)求二面角C-PB-D的大小.
网友回答
解法一:
(I)证明
如图,连接AC,AC交BD于点G,连接EG.∵底面ABCD是正方形,∴G为AC的中点.
又E为PC的中点,∴EG∥PA.∵EG?平面EDB,PA?平面EDB,∴PA∥平面EDB???…(4分)
(II)证明:∵PD⊥底面ABCD,∴PD⊥DB,PD⊥DC,PD⊥DB.
又∵BC⊥DC,PD∩DC=D,∴BC⊥平面PDC.∴PC是PB在平面PDC内的射影.
∵PD⊥DC,PD=DC,点E是PC的中点,∴DE⊥PC.
由三垂线定理知,DE⊥PB.
∵DE⊥PB,EF⊥PB,DE∩EF=E,∴PB⊥平面EFD.???…(8分)
(III)解:
∵PB⊥平面EFD,∴PB⊥FD.又∵EF⊥PB,FD∩EF=F,∴∠EFD就是二面角C-PB-D的平面角.…(10分)
∵PD=DC=BC=2,∴PC=DB=2,DE=PC=
∵PD⊥DB,
∴PB==2
DF==
由(II)知:DE⊥PC,DE⊥PB,PC∩PB=P,∴DE⊥平面PBC.
∵EF?平面PBC,∴DE⊥EF.
在Rt△DEF中,sin∠EFD==
∴∠EFD=60°.
故所求二面角C-PB-D的大小为60°.??…(12分)
解法二:
如图,以点D为坐标原点,DA、DC、DP所在直线分别为x轴、y轴、z轴,
建立空间直角坐标系,得以下各点坐标:D(0,0,0),A(2,0,0),B(2,2,0),
C(0,2,0),P(0,0,2)…(1分)
(I)证明:
连接AC,AC交BD于点G,连接EG.∵底面ABCD是正方形,∴G为AC的中点.G点坐标为(1,1,0).
又E为PC的中点,E点坐标为(0,1,1),
∴=(2,0,-2),=(1,0,-1)
∴=2
∴PA∥EG
∵EG?平面EDB,PA?平面EDB,
∴PA∥平面EDB???…(4分)
(II)证明:
=(2,2,-2),=(0,1,1)
∴?=0
∴PB⊥DE
又∵DE⊥PB,EF⊥PB,DE∩EF=E,
∴PB⊥平面EFD.
(III)∵PB⊥平面EFD,∴PB⊥FD.
又∵EF⊥PB,FD∩EF=F,∴∠EFD就是二面角C-PB-D的平面角.…(10分)
设点F的坐标为(x,y,z),则=(x,y,z-2),=(x,y,z)
∵PF∥PB,DF⊥PB
∴=k,?=0,即:
x=y=(-z-2)=2k,x+y-z=0
解得:k=,x=y=,z=
∴点F的坐标为(,,)
=(-,-,-),=(-,,-)
∵cos∠EFD==
∴∠EFD=60°.故所求二面角C-PB-D的大小为60°.??…(12分)解析分析:解法一:(几何法)(I)连接AC,AC交BD于点G,连接EG,由三角形中位线定理,可得EG∥PA,由线面平行的判定定理可得:PA∥平面BDE;(II)由已知中底面ABCD是边长为2的正方形,PD⊥底面ABCD,PD=DC,点E是PC的中点,点F在PB上,我们可得DE⊥PB,再由EF⊥PB结合线面垂直的判定定理即可得到