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如图,四棱锥P-ABCD的侧面PAD垂直于底面ABCD,∠ADC=∠BCD=90°,PA=PD=AD=2BC=2,CD=
3
,M在棱PC上,N是AD的中点,二面角M-BN-C为30°.
(1)求
PM
MC
的值;
(2)求直线PB与平面BMN所成角的大小.
分析:解法一(几何法):(Ⅰ)作ME∥CD交CD于E,由已知中,∠ADC=∠BCD=90°,PA=PD=AD=2BC=2,N是AD的中点,可得BN⊥AD,结合侧面PAD垂直于底面ABCD,及面面垂直和线面垂直的性质可得BN⊥NE,即∠DNE为二面角M-BN-C的平面角,由二面角M-BN-C为30°,可得∠DNE=30°,可求出DE=
1
4
DP,进而得到
PM
MC
的值;
(2)连接BE,由(Ⅰ)可知PE⊥平面BMN,即∠PBE为直线PB与平面BMN所成的角.连接PN,则PN⊥平面ABCD,从而PN⊥BN,解△PBE可得直线PB与平面MBN所成的角.
解法二(向量法):(Ⅰ)建立如图所示的坐标系N-xyz,设
PM
MC
(λ>0),则M(
1+λ
3
λ
1+λ
3
1+λ
),求出面MBN的法向量,及面BNC的法向量,由二面角M-BN-C为30°,求出λ值,即可得到
PM
MC
的值;
(Ⅱ)由(Ⅰ),
n
=(
3
,0,3)为面MBN的法向量,设直线PB与平面MBN所成的角为θ,求出PB的方向向量
PB
,代入线面夹角公式sinθ=
|
PB
n
|
|
PB
||n|
,可得直线PB与平面MBN所成的角.
解答:解法一(几何法):(Ⅰ)作ME∥CD,ME∩PD=E.
∵∠ADC=∠BCD=90°,AD=2BC=2,N是AD的中点,
∴BN⊥AD,
又平面PAD⊥平面ABCD,
∴BN⊥平面PAD,
∴BN⊥NE,
∠DNE为二面角M-BN-C的平面角,
即∠DNE=30°.…(3分)
∵PA=PD=AD,
∴∠PDN=60°,
∴∠DEN=90°,
∴DE=
1
4
DP,
∴CM=
1
4
CP,故
PM
MC
=3.…(6分)
(Ⅱ)连接BE,由(Ⅰ)的解答可知PE⊥平面BMN,
则∠PBE为直线PB与平面BMN所成的角.
连接PN,则PN⊥平面ABCD,从而PN⊥BN,
∴PB=
PN2+BN2
=
PN2+CD2
=
6
,…(9分)
又PE=
3
4
PD=
3
2
,∴sin∠PBE=
PE
PB
=
6
4

所以直线PB与平面MBN所成的角为arcsin
6
4
.…(12分)
解法二(向量法):
(Ⅰ)建立如图所示的坐标系N-xyz,
其中N(0,0,0),A(1,0,0),B(0,
3
,0),C(-1,
3
,0),D(-1,0,0),
P(0,0,
3
).
PM
MC
(λ>0),则M(
1+λ
3
λ
1+λ
3
1+λ
),
于是
NB
=(0,
3
,0),
NM
=(
1+λ
3
λ
1+λ
3
1+λ
),…(3分)
n
=(x,y,z)为面MBN的法向量,则
NB
n
=0,
NM
n
=0,
3
y=0,-λx+
3
λy+
3
z=0,取
n
=(
3
,0,λ),
m
=(0,0,1)为面BNC的法向量,由二面角M-BN-C为30°,得
|cos<
m
n
>|=
|
m
n
|
|
m
||
n
|
=
λ
3+λ2
=cos30°=
3
2

解得λ=3,
PM
MC
=3.…(6分)
(Ⅱ)由(Ⅰ),
n
=(
3
,0,3)为面MBN的法向量,…(8分)
设直线PB与平面MBN所成的角为θ,由
PB
=(0,
3
,-
3
),得
sinθ=
|
PB
n
|
|
PB
||n|
=
3
3
6
×2
3
=
6
4

所以直线PB与平面MBN所成的角为arcsin
6
4
.…(12分)
点评:本题考查的知识点是用空间向量求平面间的夹角,直线与平面所成的角,其中方法一的关键是熟练掌握二面角及线面夹角的定义,方法二的关键是建立空间直角坐标系,将问题转化为向量夹角问题.
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2
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AE
AP
的值,若不存在,请说明理由.

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3
,点F是PB中点.
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(Ⅱ)若E是BC边上任一点,证明:PE⊥AF;
(Ⅲ)若BE=
3
3
,求直线PA与平面PDE所成角的正弦值.

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如图,四棱锥P-ABCD,PA⊥平面ABCD,ABCD是直角梯形,DA⊥AB,CB⊥AB,PA=2AD=BC=2,AB=2
2
,设PC与AD的夹角为θ.
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(2)求θ的大小;当平面ABCD内有一个动点Q始终满足PQ与AD的夹角为θ,求动点Q的轨迹方程.

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