Question

如圖，PA⊥平面ABCD，四邊形ABCD是矩形，PA=AD=a，M，N分別是AB，PC的中點(diǎn)．
（1）求平面PCD與平面ABCD所成二面角的大小；
（2）求證：MN⊥平面PCD；
（3）當(dāng)AB的長度變化時(shí)，求異面直線PC與AD所成角的可能范圍．

Answer 1

分析：（1）由題設(shè)條件及幾何體的直觀圖可證得∠PDA是平面PCD與平面ABCD所成二面角的平面角，在Rt△PAD中，求出此角的值即可得到二面角的大小；
（2）觀察圖形，取PD中點(diǎn)E，連接AE，EN，又M，N分別是AB，PC的中點(diǎn)可證得四邊形AMNE是平行四邊形，得出MN∥AE，再證明AE⊥平面PCD即可得到MN⊥平面PCD；
（3）求異面直線所成的角得先作角，由圖形及題設(shè)條件知∠PCB為異面直線PC，AD所成的角，在三角形PCB中解此角即可；

解答：解：（1）PA⊥平面ABCD，CD⊥AD，∴PD⊥CD．
故∠PDA是平面PCD與平面ABCD所成二面角的平面角．
在Rt△PAD中，PA⊥AD，PA=AD，∴∠PDA=45°．…（3分）
（2）如圖，取PD中點(diǎn)E，連接AE，EN，又M，N分別是AB，PC的中點(diǎn)，
∴EN∥

1

2

CD∥

1

2

AB∴AMNE是平行四邊形∴MN∥AE．
在等腰Rt△PAD中，AE是斜邊的中線．∴AE⊥PD．
由PA⊥平面ABCD，四邊形ABCD是矩形，可推出CD⊥PD
又CD⊥AD，AD∩PD=D
∴CD⊥平面PAD，∴CD⊥AE，
又PD∩CD=D，∴AE⊥平面PCD．∴MN⊥平面PCD．…（7分）
（3）∵AD∥BC，∴∠PCB為異面直線PC，AD所成的角．
由三垂線定理知PB⊥BC，設(shè)AB=x（x＞0）．∴tan∠PCB=

a2+x2

a

=

1+( x a )2

．
又∵

x

a

∈（0，+∞），∴tan∠PCB∈（1，+∞）．
又∠PCB為銳角，∴∠PCB∈（

π

4

，

π

2

），
即異面直線PC，AD所成的角的范圍為（

π

4

，

π

2

）．…（12分）

點(diǎn)評(píng)：本題考查與二面角有關(guān)的立體幾何綜合題，解題的關(guān)鍵是熟練掌握二面角的求法，其步驟一般分為三步，作角，證角，求角，其中第二步證角易被忽略導(dǎo)致失分，解題時(shí)要注意解題的驟，本題中第二小問證明線面垂直，要注意正確使用判定定理，第三問中求異面直線所成的角，其作法也是要先作角，證角，求角，幾何中求角的題其做題步驟基本上都分為此三步，做題后注意總結(jié)一下這個(gè)規(guī)律