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如图所示,在四棱锥P-ABCD中,四边形ABCD为菱形,∠ABC=60°,AB=2,△PCB为正三角形,且平面PCB⊥平面ABCD,M,N分别为BC,PD的中点.
(1)求证:MN∥面APB;
(2)求二面角B-NC-P的余弦值;
(3)求四棱锥P-ABCD被截面MNC分成的上下两部分体积之比.
考点:与二面角有关的立体几何综合题,组合几何体的面积、体积问题,直线与平面平行的判定
专题:空间位置关系与距离
分析:(1)取AD中点O,连接MO,NO,由已知条件推导出四边形ABCD为平行四边形,由此能够证明MN∥面PAB.
(2)建立空间直角坐标系,利用向量法能求出二面角B-NC-P的余弦值.
(3)利用向量法求出点P到平面MNC的距离,由棱锥体积的计算公式能求出四棱锥P-ABCD被截面MNC分成的上下两部分体积之比.
解答: (1)证明:取AD中点O,连接MO,NO,
∵M,N分别为DE,PB的中点,
∴ON∥PA,ON∥面PAB
又∵四边形ABCD为平行四边形,
∴OM∥AB,∵OM在平面PAB外,AB?平面PAB,
∴OM∥面PAB,
∵面MON∥面PAB,∴MN∥面PAB.(3分)
(2)建立空间直角坐标系如图,
由题意知:P(0,0,
3
),A(
3
,0,0),B(0,-1,0),
C(0,1,0),D(
3
,2,0)

∵N为PD中点,∴N(
3
2
,1,
3
2
)
,(4分)
PN
=(
3
2
,1,-
3
2
),
PC
=(0,1,-
3
)

BN
=(
3
2
,2,
3
2
)
BC
=(0,2,0),
令平面PNC的法向量
n
=(x, y, z)

n
PN
=0,
n
PC
=0

3
2
x+y-
3
2
z=0
y-
3
z=0
,∴
n
=(-1, 
3
, 1)

设平面BNC的法向量
m
=(
x
 
1
y1z1)

m
BN
=0,
m
BC
=0

3
2
x1+2y1+
3
2
z1=0
2y1=0
,∴
m
=(1,0,-1)
,(6分)
∴cos<
m
n
>=
-1+0-1
5
2
=-
10
5

∵二面角B-NC-P的平面角为锐角,
∴二面角B-NC-P的余弦值为
10
5
.(8分)
(3)∵
MP
=(0,0,
3
),平面MNC的法向量为
m
=(1,0,-1)

∴点P到平面MNC的距离d=|
MP
m
m
|=|
-
3
2
|=
6
2

设PA中点为E,则NE=1,BC=2,
BC
=(0,2,0),
CN
=(
3
2
,0,
3
2
)

BC
CN
=0
,|
CN
|=
6
2

∴直角梯形ENCB的面积为
1
2
(1+2)×
6
2
=
3
6
4

V=
1
3
×
3
6
4
×
6
2
=
3
4

V=
1
3
×2
3
×
3
-
3
4
=
5
4

V
V
=
3
5

∴四棱锥P-ABCD被截面MNC分成的上下两部分体积之比为
3
5
.(12分)
点评:本题考查直线与平面平行的证明,考查二面角的余弦值的求法,考查棱锥体积的计算,解题时要注意空间思维能力的培养.
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