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如图J12­4所示,在底面是矩形的四棱锥P­ABCD中,PA⊥平面ABCDPAAB=2,BC=4,EPD的中点.

(1)求证:平面PDC⊥平面PAD

(2)求二面角E­AC­D的余弦值;

(3)求直线CD与平面AEC所成角的正弦值.

图J12­4


解:方法一:

(1)证明:∵PA⊥平面ABCDCD⊂平面ABCD

PACD.

又∵四边形ABCD是矩形,∴ADCD.

PAADAPAAD⊂平面PAD,∴CD⊥平面PAD.

又∵CD⊂平面PDC,∴平面PDC⊥平面PAD.

(2)取AD的中点O,连接EO,则EOPA.

PA⊥平面ABCD,∴EO⊥平面ABCD.

过点OOFACAC于点F,连接EF

则∠EFO就是二面角E­AC­D的平面角.

PA=2,得EO=1.

在Rt△ADC中,由AD·CDAC·h,得h.

又∵OAD的中点,OFAC,∴OF.

EO=1,由勾股定理可得EF

故cos∠EFO,即二面角E ­AC ­D的余弦值为.

(3)延长AE,过点DDG垂直AE于点G,连接CG.

由(1)可知,CDAE,又CDDGD,∴AE⊥平面CDG.

过点DDH垂直CG于点H,则AEDH.

CGAEG,∴DH⊥平面AGC,即DH⊥平面AEC

CD在平面ACE内的射影是CH

∴∠DCH是直线CD与平面AEC所成的角.

DGAD·sin∠DAGAD·sin∠OAEAD·

又在Rt△CDG中,CD=2,∴CG

方法二:如图,以为A原点,AB所在直线为x轴,AD所在直线为y轴,AP所在直线为z轴,建立空间直角坐标系A­xyz,则A(0,0,0),B(2,0,0),C(2,4,0),D(0,4,0),E(0,2,1),P(0,0,2),

又∵APADA,∴CD⊥平面PAD.

又∵CD⊂平面PDC,∴平面PDC⊥平面PAD.

∴二面角E­AC­D的余弦值是.

(3)设直线CD与平面AEC所成的角为θ.

∵平面AEC的一个法向量为n=1,-,1,

即直线CD与平面AEC所成角的正弦值为.


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