如圖,在四棱錐P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,且PA=4,底面ABCD為梯形,
AB∥CD,∠BAD=90°,且AB=2CD=2,AD=
2
,M、N分別為PD、PB的中點(diǎn),平面MCN與PA交點(diǎn)為Q.
(Ⅰ)求證:CN∥平面PAD;
(Ⅱ)求PQ的長(zhǎng)度;
(Ⅲ)求平面MCN與平面ABCD所成二面角的大小.
考點(diǎn):二面角的平面角及求法,直線與平面平行的判定
專題:空間位置關(guān)系與距離
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),
AD
、
AB
、
AP
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=
1
2
AB
,又因?yàn)?span id="rt9h3nf" class="MathJye">CD∥AB,CD=
1
2
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=
2
2
,EN=1,MN=
6
2
,從而EF=
3
3

所以tan∠QFE=
3
,故∠QFE=
π
3

所以平面MCN與底面ABCD所成二面角的大小為
π
3
.                      …(12分)
向量法:
(Ⅰ)證明:如圖,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),
AD
AB
、
AP
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(
2
,0,0)
,B(0,2,0),C(
2
,1,0)

P(0,0,4),M(
2
2
,0,2)
,N(0,1,2).
由題意知
AB
是平面PAD的法向量,
又因?yàn)?span id="pr1dpdz" class="MathJye">
CN
AB
=(-
2
,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),
MQ
CN
,
(-
2
2
,0,t-2)=λ(-
2
,0,2)

解得t=3,所以PQ=1.…(8分)
(Ⅲ)解:設(shè)平面MCN的法向量
n
=(x,y,z)

MN
n
=-
2
2
x+y=0
MC
n
=
2
2
x+y-2z=0
,取y=1,得
n
=(
2
,1,1)
…(10分)
又知平面ABCD的法向量為
m
=(0,0,1)

所以cos<
m
,
n
>=
m
n
|
m
||
n
|
=
1
1•
(
2
)
2
+12+12
=
1
2

即平面MCN與底面ABCD所成二面角的大小為
π
3
. …(12分)
點(diǎn)評(píng):本題考查直線與平面平行的證明,考查線段長(zhǎng)的求法,考查二面角的大小的求法,解題時(shí)要認(rèn)真審題,注意空間思維能力的培養(yǎng).
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x-y+1≥0
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,則目標(biāo)函數(shù)z=2x+3y的最小值為( 。
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=
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2
+cos
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2
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(2)
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1+sin2α+cos2α
=tanα;
(3)
1+sinα
cosα
=
1+tan
α
2
1-tan
α
2
;
(4)tanα+cotα=
2
sin2α

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3
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π
2
<φ
π
2
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A、2,-
π
6
B、2,-
π
3
C、4,-
π
6
D、4,
π
3

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