分析:綜合法:(Ⅰ)取AP的中點(diǎn)E,連接DE,EN,由已知得四邊形CDEN為平行四邊形,由此能證明CN∥平面PAD.
(Ⅱ)取EP的中點(diǎn),即為所求點(diǎn)Q,連接MQ,NQ,由已知得四點(diǎn)C,N,Q,M共面,由此能求出PQ=1.
(Ⅲ)連接ME,則平面EMN∥底面ABCD,平面QMN與平面EMN所成二面角即為平面MCN與底面ABCD所成二面角,由此能求出平面MCN與底面ABCD所成二面角的大。
向量法:(Ⅰ)以A為坐標(biāo)原點(diǎn),
、
、
方向分別為x軸、y軸和z軸的正方向,建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量法能證明CN∥平面PAD.
(Ⅱ)由已知得CN∥平面PAD,CN∥MQ,設(shè)Q(0,0,t),利用向量法能求出PQ=1.
(Ⅲ)分別求出平面MCN的法向量和平面ABCD的法向量,利用向量法能求出平面MCN與底面ABCD所成二面角的大小.
解答:
(本小題滿分12分)
綜合法:
(Ⅰ)證明:取AP的中點(diǎn)E,連接DE,EN,
因?yàn)镋、N分別是AP、BP的中點(diǎn),
所以
EN∥AB,EN=AB,又因?yàn)?span id="rt9h3nf" class="MathJye">CD∥AB,CD=
AB.
所以EN∥CD,EN=CD,
即四邊形CDEN為平行四邊形.所以CN∥DE,CN不在平面PAD內(nèi),
所以CN∥平面PAD.…(4分)
(Ⅱ)解:取EP的中點(diǎn),即為所求點(diǎn)Q,連接MQ,NQ.
因?yàn)镸Q∥ED,故MQ∥CN,所以四點(diǎn)C,N,Q,M共面.
平面MCN與AP交點(diǎn)Q即為AP的四等分點(diǎn),又因?yàn)锳P=4,所以PQ=1. …(8分)
(Ⅲ)解:連接ME,易證平面EMN∥底面ABCD.
平面QMN與平面EMN所成二面角即為平面MCN與底面ABCD所成二面角.
因?yàn)镻A⊥平面ABCD,故PA⊥平面EMN,過(guò)E作EF⊥MN,垂足為F,連結(jié)QF,
則QF⊥MN,所以∠QFE為平面QMN與平面EMN所成二面角的平面角.
在直角三角形MEN中,則
ME=,EN=1,
MN=,從而
EF=,
所以
tan∠QFE=,故∠QFE=
.
所以平面MCN與底面ABCD所成二面角的大小為
. …(12分)
向量法:
(Ⅰ)證明:如圖,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),
、
、
方向分別為x軸、y軸和z軸的正方向,
建立空間直角坐標(biāo)系.
則A(0,0,0),
D(,0,0),B(0,2,0),
C(,1,0),
P(0,0,4),
M(,0,2),N(0,1,2).
由題意知
是平面PAD的法向量,
又因?yàn)?span id="pr1dpdz" class="MathJye">
•
=(-
,0,2)•(0,2,0)=0,
所以CN⊥AB,又因?yàn)镃N不在平面PAD內(nèi),所以CN∥平面PAD.…(4分)
(Ⅱ)解:由(Ⅰ)知CN∥平面PAD,又CN在平面CNQM內(nèi),
平面CNQM與平面PAD的交線是MQ,所以CN∥MQ.
設(shè)Q(0,0,t),
=λ,
得
(-,0,t-2)=λ(-,0,2),
解得t=3,所以PQ=1.…(8分)
(Ⅲ)解:設(shè)平面MCN的法向量
=(x,y,z).
由
,取y=1,得
=(,1,1)…(10分)
又知平面ABCD的法向量為
=(0,0,1)所以
cos<,>===即平面MCN與底面ABCD所成二面角的大小為
. …(12分)