19.如图,在底面是菱形的四棱锥P—ABCD中,∠ABC=60,PA=AC=a,PB=PD=2a,点E在PD

19.如图,在底面是菱形的四棱锥PABCD中,∠ABC=60,PA=AC=a,PB=PD=2a,点EPD上,且PEED=2∶1.

(Ⅰ)证明:PA⊥平面ABCD;

(Ⅱ)求以AC为棱,EACDAC为面的二面角θ的大小;

(Ⅲ)在棱PC上是否存在一点F,使BF∥平面AEC?证明你的结论.

答案

19.(Ⅰ)证明:因为底面ABCD是菱形,∠ABC=60°,所以AB=AD =AC=a.

在△PAB中,由PA2+AB2=2a2=PB2,知PAAB.

同理,PAAD.所以PA⊥平面ABCD.

(Ⅱ)解:作EGPAADG

PA⊥平面ABCD,知EG⊥平面ABCD.

GHACH,连结EH,则EHAC.

EHG为二面角θ的平面角.

PEED=2∶1,

所以EG=

a,AG=a,GH=AGsin60°=a.

从而tanθ=

=,θ=30°.

(Ⅲ)解法一:以A为坐标原点,直线ADAP分别为y轴、z轴,过A点垂直平面PAD的直线为x轴,建立空间直角坐标系如图.由题设条件,相关各点的坐标分别为

A(0,0,0),B

a,-a,0),Ca,a,0),D(0,a,0),P(0,0,a),E(0,a,a).

所以

=(0,a,a),=(a,a,0),

=(0,0,a),=(a,a,-a),

=(-a,a,a).

设点F是棱PC上的点,

=λ=(aλ,aλ,-aλ),其中0<λ<1,则

=+=(-a,a,a)+(aλ,aλ,-aλ

=(

aλ-1),a(1+λ),a(1-λ)).

=λ1+λ2,得

 即

解得λ=

,λ1=-,λ2=.

λ=

时,=-+.

亦即,FPC的中点时,

共面.

BF

平面AEC,所以当F是棱PC的中点时,BF∥平面AEC.

解法二:当F是棱PC的中点时,BF∥平面AEC.证明如下.

证法一:取PE的中点M,连结FM,则FMCE.                                ①

EM=

PE=ED,知EMD的中点.

连结BMBD,设BDAC=O,则OBD的中点.

所以BMOE.                                                                                   ②

由①、②知,平面BFM∥平面AEC.

BF

平面BFM,所以BF∥平面AEC.

证法二

因为

= +=++

=

++

=

+)+

=

,

所以

共面.

BF

平面AEC,从而BF∥平面AEC.

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