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P

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  • 解题思路: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答案.

    (III)由(II)中结论,可得PB⊥FD.结合EF⊥PB,由二面的定义可得∠EFD就是二面角C-PB-D的平面角,解三角形EFD即可得到答案.

    解法二:(向量法)(I)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,连接AC,AC交BD于点G,连接EG.分别求出PA,EG的方向向量,易判断PA与EG平行,进而由线面平行的判定定理得到答案.

    (II)分别求出DE与PB的方向向量,由它们的数量积为0,易得DE⊥PB,再由EF⊥PB结合线面垂直的判定定理即可得到答案.

    (III)由(II)中结论,可得PB⊥FD.结合EF⊥PB,由二面的定义可得∠EFD就是二面角C-PB-D的平面角,设点F的坐标为(x,y,z),由PF∥PB,DF⊥PB,构造方程求出点F的坐标,进而求出FD,FE的方向向量,代入向量夹角公式,即可求出二面角C-PB-D的平面角的大小.

    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,

    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)

    ∵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

    2,DE=[1/2]PC=

    2

    ∵PD⊥DB,

    ∴PB=

    PD2+DB2=2

    3

    DF=[PD•DB/PB]=

    2

    6

    3

    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=[DE/DF]=

    3

    2

    ∴∠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

    点评:

    本题考点: 用空间向量求平面间的夹角;直线与平面平行的判定;直线与平面垂直的判定;二面角的平面角及求法.

    考点点评: 本题考查的知识点是用空间向量求平面间的夹角,直线与平面平行的判定,直线与平面垂直的判定,二面角的平面角及求法,其中几何法的关键是熟练掌握空间直线与平面位置关系的定义、判定、性质及几何特征,建立良好的空间想像能力,几何法的关键是建立适当的空间坐标系,将空间线面关系及线面夹角问题转化为向量夹角问题.