Question

6．如圖，四邊形ABCD是正方形，PA⊥平面ABCD，EB∥PA，AB=PA=4，EB=2，F(xiàn)為PD的中點．
（1）求證：AF⊥PC；
（2）求證：BD∥平面PEC；
（3）求銳角二面角D-PC-E的余弦值．

Answer 1

分析 （1）以A為原點，分別以$\overrightarrow{AD}$、$\overrightarrow{AB}$、$\overrightarrow{AP}$的方向為x軸、y軸、z軸的正方向建立空間直角坐標系．求出相關(guān)點的坐標，通過計算$\overrightarrow{AF}•\overrightarrow{PC}=8+0+（-8）=0$，證明AF⊥PC．
（2）取PC的中點M，連接EM．證明BD∥EM．然后證明BD∥平面PEC．
（3）求出平面PCD的一個法向量．平面PCE的法向量，利用空間向量的數(shù)量積求解銳二面角D-PC-E的余弦值．

解答 （1）證明：依題意，PA⊥平面ABCD，如圖，以A為原點，分別以$\overrightarrow{AD}$、$\overrightarrow{AB}$、$\overrightarrow{AP}$的方向為x軸、y軸、z軸的正方向建立空間直角坐標系．
依題意，可得A（0，0，0），B（0，4，0），C（4，4，0），D（4，0，0），P（0，0，4），E（0，4，2），F(xiàn)（2，0，2）．
∵$\overrightarrow{AF}=（2，0，2）$，$\overrightarrow{PC}=（4，4，-4）$，
∴$\overrightarrow{AF}•\overrightarrow{PC}=8+0+（-8）=0$，
∴AF⊥PC．
（2）證明：取PC的中點M，連接EM．
∵M（2，2，2），$\overrightarrow{EM}=（2，-2，0）$，$\overrightarrow{BD}=（4，-4，0）$，
∴$\overrightarrow{BD}=2\overrightarrow{EM}$，
∴BD∥EM．
∵EM?平面PEC，BD?平面PEC，
∴BD∥平面PEC．
（3）解：∵AF⊥PD，AF⊥PC，PD∩PC=P，
∴AF⊥平面PCD，故$\overrightarrow{AF}=（2，0，2）$為平面PCD的一個法向量．
設(shè)平面PCE的法向量為$\overrightarrow n=（x，y，z）$，
∵$\overrightarrow{PC}=（4，4，-4）$，$\overrightarrow{PE}=（0，4，-2）$，
∴$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow n•\overrightarrow{PC}=0\\ \overrightarrow n•\overrightarrow{PE}=0\end{array}\right.$即$\left\{\begin{array}{l}4x+4y-4z=0\\ 4y-2z=0\end{array}\right.$
令y=1，得x=1，z=2，故$\overrightarrow n=（1，1，2）$．
∴$cos＜\overrightarrow{AF}，\overrightarrow n＞=\frac{2+0+4}{{2\sqrt{2}•\sqrt{6}}}=\frac{{\sqrt{3}}}{2}$，
∴銳二面角D-PC-E的余弦值為$\frac{{\sqrt{3}}}{2}$．

點評 本題考查二面角的平面角的求法，直線與平面平行，直線與直線垂直的證明方法，考查空間想象能力以及計算能力．