Question

已知：如圖，在四棱錐P-ABCD中，底面ABCD是矩形，PA⊥平面ABCD，PA=AB=1，BC=2．
（Ⅰ）求證：平面PDC⊥平面PAD；
（Ⅱ）若E是PD的中點(diǎn)，求異面直線AE與PC所成角的余弦值；
（Ⅲ）在BC邊上是否存在一點(diǎn)G，使得D點(diǎn)到平面PAG的距離為1？若存在，求出BG的值；若不存在，請(qǐng)說明理由．

Answer 1

分析：法一：（Ⅰ）要證平面PDC⊥平面PAD，只需證明平面PDC的中心CD，垂直平面PAD內(nèi)的兩條相交直線PA、AD即可；
（Ⅱ）CD的中點(diǎn)為F，連接EF、AF，說明∠AEF是異面直線AE與PC所成角或其補(bǔ)角，解三角形求異面直線AE與PC所成角的余弦值；
（Ⅲ）在BC邊上存在一點(diǎn)G，設(shè)BG=x，過點(diǎn)D作DM⊥AG于M．利用S△AGD=

1

2

AG•DM，推出線段DM的長(zhǎng)是點(diǎn)D到平面PAG的距離為1．
法二：建立空間直角坐標(biāo)系，推出

CD

•

AD

=0 ， 

CD

•

AP

=0證明CD⊥平面PAD，然后證明 平面PDC⊥平面PAD；利用cos＜

AE

，

PC

＞=

AE • PC

| AE |•| PC |

求解（Ⅱ）．則G（1，x，0）．利用2S_△ADG=S_矩形ABCD，求出x的值，即可確定存在一點(diǎn)G．

解答：法一：（Ⅰ）證明：∵PA⊥平面ABCD，
∴PA⊥CD．（1分）
∵四邊形ABCD是矩形，
∴AD⊥CD．
又PA∩AD=A
∴CD⊥平面PAD．（3分）
又∵CD?平面PDC，
∴平面PDC⊥平面PAD．（5分）
（Ⅱ）解：設(shè)CD的中點(diǎn)為F，連接EF、AF．
∵E是PD中點(diǎn)，
∴EF∥PC．
∴∠AEF是異面直線AE與PC所成角或其補(bǔ)角．（7分）
由PA=AB=1，BC=2，計(jì)算得AE=

1

2

PD=

5

2

，EF=

1

2

PC=

6

2

，AF=

17

2

，cos∠AEF=

AE2+EF2-AF2

2AE•EF

=

5 4 + 6 4 - 17 4

2• 5 2 • 6 2

=-

30

10

，（9分）
∴異面直線AE與PC所成角的余弦值為

30

10

．（10分）
（Ⅲ）解：假設(shè)在BC邊上存在點(diǎn)G，使得點(diǎn)D到平面PAG的距離為1．
設(shè)BG=x，過點(diǎn)D作DM⊥AG于M．
∵PA⊥平面ABCD，
∴PA⊥DM，PA∩AG=A．
∴DM⊥平面PAG．
∴線段DM的長(zhǎng)是點(diǎn)D到平面PAG的距離，即DM=1．（12分）
又S△AGD=

1

2

AG•DM=

1

2

1+x2

=1，
解得x=

3

＜2．
所以，存在點(diǎn)G且當(dāng)BG=

3

時(shí)，使得點(diǎn)D到平面PAG的距離為1．（14分）
法二：以A為原點(diǎn)，AB所在直線為x軸，AD所在直線為y軸，
AP所在直線為z軸建立空間直角坐標(biāo)系，則A（0，0，0），
B（1，0，0），C（1，2，0），
D（0，2，0），E（0，1，），
P（0，0，1）．
∴

CD

=（-1，0，0），

AD

=（0，2，0），

AP

=（0，0，1），

AE

=（0，1，），

PC

=（1，2，-1）．（2分）
（Ⅰ）∵

CD

•

AD

=0，
∴CD⊥AD．
∵

CD

•

AP

=0，
∴CD⊥AP．
又AP∩AD=A，
∴CD⊥平面PAD．（5分）
∵CD?平面PAD，
∴平面PDC⊥平面PAD．（7分）
（Ⅱ）∵cos＜

AE

，

PC

＞=

AE • PC

| AE |•| PC |

=

2- 1 2

1+ 1 4 • 6

=

30

10

，（9分）
∴異面直線AE與PC所成角的余弦值為

30

10

．（10分）
（Ⅲ）假設(shè)BC邊上存在一點(diǎn)G滿足題設(shè)條件，令BG=x，則G（1，x，0）．
作DQ⊥AG于Q，
∵PA⊥平面ABCD，
∴PA⊥DQ．
又PA∩AG=A，
∴DQ⊥面PAG．
∴線段DQ的長(zhǎng)是點(diǎn)D到平面PAG的距離，即DQ=1．（12分）
∵2S_△ADG=S_矩形ABCD，
∴|

AG

|•|

DQ

|=|

AB

|•|

AD

|=2．
∴|

AG

|=2．
又AG=

x2+1

，
∴x=

3

＜2．
故存在點(diǎn)G，當(dāng)BG=

3

時(shí)，使點(diǎn)D到平面PAG的距離為1．（14分）

點(diǎn)評(píng)：本題考查平面與平面垂直的判定，異面直線所成的角，點(diǎn)到平面的距離，考查邏輯思維能力，空間想象能力，是中檔題．