如图,四棱锥 $P - ABCD$ 中,底面 $ABCD$ 为矩形,$PA \bot $ 底面 $ABCD$,$PA = AB = \sqrt 6 $,点 $E$ 是棱 $PB$ 的中点.

【难度】
【出处】
2010年高考重庆卷(理)
【标注】
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求直线 $AD$ 与平面 $PBC$ 的距离;标注答案略解析解法一:
如图,在矩形 $ABCD$ 中,$AD\parallel BC$,从而 $AD\parallel 平面 PBC$,
故直线 $AD$ 与平面 $PBC$ 的距离为点 $A$ 到平面 $PBC$ 的距离.
因 $PA\perp 底面 ABCD$,故 $PA \perp AB$,由 $PA = AB$ 知 $\triangle PAB$ 为等腰直角三角形,
又点 $E$ 是棱 $PB$ 的中点,故 $AE \perp PB$,
又在矩形 $ABCD$ 中,$BC \perp AB$,而 $AB$ 是 $PB$ 在底面 $ABCD$ 内的射影,由三垂线定理得 $BC \perp PB$,
从而 $BC \perp 平面 PAB$,故 $BC \perp AE$.从而 $AE \perp 平面 PBC$,故 $AE$ 之长即为直线 $AD$ 与平面 $PBC$ 的距离.
在 ${\rm{Rt}}\triangle PAB$ 中,\[PA = AB = \sqrt 6 ,\]所以\[AE= \dfrac{1}{2}PB= \dfrac{1}{2}\sqrt {{PA}^2 + {AB}^2}= \sqrt 3 .\]解法二:
如图,以 $A$ 为坐标原点,射线 $AB$,$AD$,$AP$ 分别为 $x$ 轴,$y$ 轴,$z$ 轴正半轴,建立空间直角坐标系 $A - xyz$.设 $D\left(0,a,0\right)$,则 $B\left( {\sqrt 6 ,0,0} \right)$,$C\left( {\sqrt 6 ,a,0} \right)$,$P\left( {0,0,\sqrt 6 } \right)$,$E\left( {\dfrac{{\sqrt 6 }}{2},0,\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}} \right)$.
因此\[\overrightarrow {AE} = \left( {\dfrac{{\sqrt 6 }}{2},0,\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}} \right) , \overrightarrow {BC} = \left(0,a,0\right) , \overrightarrow {PC} = \left( {\sqrt 6 ,a, - \sqrt 6 } \right),\]则\[\overrightarrow {AE} \cdot \overrightarrow {BC} = 0 , \overrightarrow {AE} \cdot \overrightarrow {PC} = 0,\]所以 $AE\perp 平面 PBC$.
又由 $AD\parallel BC$ 知 $AD\parallel 平面 PBC$,故直线 $AD$ 与平面 $PBC$ 的距离为点 $A$ 到平面 $PBC$ 的距离,即为\[\left| {\overrightarrow {AE} } \right| = \sqrt 3 .\] -
若 $AD = \sqrt 3 $,求二面角 $A - EC - D$ 的平面角的余弦值.标注答案略解析解法一:
过点 $D$ 作 $DF \perp CE$,交 $CE$ 于 $F$,过点 $F$ 作 $FG \perp CE$,交 $AC$ 于 $G$,则 $\angle DFG$ 为所求的二面角的平面角.
由(1)知 $BC \perp 平面 PAB$,又 $AD\parallel BC$,得 $AD \perp 平面 PAB$,故 $AD \perp AE$,从而\[DE = \sqrt {{AE}^2 + {AD}^2} = \sqrt 6 .\]在 ${\rm{Rt}}\triangle CBE$ 中,\[CE = \sqrt {{BE}^2 + {BC}^2} = \sqrt 6 .\]由 $CD = \sqrt 6 $,所以 $\triangle CDE$ 为等边三角形,故 $F$ 为 $CE$ 的中点,且\[DF = CD \cdot \sin \dfrac{{\mathrm{\pi }}}{3} = \dfrac{{3\sqrt 2 }}{2} . \]因为 $AE \perp 平面 PBC$,故 $AE \perp CE$,又 $FG \perp CE$,知 $FG \parallel AE$,$FG = \dfrac{1}{2}AE$,从而\[FG = \dfrac{{\sqrt 3 }}{2},\]且 $G$ 点为 $AC$ 的中点.
连接 $DG$,则在 ${\rm{Rt}}\triangle ADC$ 中,\[DG= \dfrac{1}{2}AC= \dfrac{1}{2}\sqrt {{AD}^2 + {CD}^2} = \dfrac{3}{2}.\]所以\[\cos DFG= \dfrac{{{DF}^2 + {FG}^2 - {DG}^2}}{{2DF \cdot FG}}= \dfrac{{\sqrt 6 }}{3}.\]解法二:
因为 $\left| {\overrightarrow {AD} } \right| = \sqrt 3 $,则 $D\left( {0,\sqrt 3 ,0} \right)$,$C\left( {\sqrt 6 ,\sqrt 3 ,0} \right)$.
设平面 $AEC$ 的法向量 $\overrightarrow {{n_1}} = \left({x_1},{y_1},{z_1}\right)$,则\[\overrightarrow {{n_1}} \cdot \overrightarrow {AC} = 0 ,\overrightarrow {{n_1}} \cdot \overrightarrow {AE} = 0.\]又 $\overrightarrow {AC} = \left( {\sqrt 6 ,\sqrt 3 ,0} \right)$,$\overrightarrow {AE} = \left( {\dfrac{{\sqrt 6 }}{2},0,\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}} \right)$,故\[\begin{cases}
\sqrt 6 {x_1} + \sqrt 3 {y_1} = 0, \\
\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}{x_1} + \dfrac{{\sqrt 6 }}{2}{z_1} = 0, \\
\end{cases}\]所以\[{y_1} = - \sqrt 2 {x_1},{z_1} = - {x_1}.\]可取 ${x_1} = - \sqrt 2 $,则\[\overrightarrow {{n_1}} = \left( { - \sqrt 2 ,2,\sqrt 2 } \right).\]设平面 $DEC$ 的法向量 $\overrightarrow {{n_2}} = \left({x_2},{y_2},{z_2}\right)$,则\[\overrightarrow {{n_2}} \cdot \overrightarrow {DC} = 0 , \\ \overrightarrow {{n_2}} \cdot \overrightarrow {DE} = 0.\]又 $\overrightarrow {DC} = \left( {\sqrt 6 ,0,0} \right)$,$\overrightarrow {DE} = \left( {\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}, - \sqrt 3 ,\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}} \right)$,故\[\begin{cases}{x_2} = 0, \\
\dfrac{{\sqrt 6 }}{2}{x_2} - \sqrt 3 {y_2} + \dfrac{{\sqrt 6 }}{2}{z_2} = 0. \\
\end{cases}\]所以\[{x_2} = 0,{z_2} = \sqrt 2 {y_2}.\]可取 ${y_2} = 1$,则\[\overrightarrow {{n_2}} = \left( {0,1,\sqrt 2 } \right).\]故\[\cos \left\langle {\overrightarrow {{n_1}} ,\overrightarrow {{n_2}} } \right\rangle = \dfrac{{\overrightarrow {{n_1}} \cdot \overrightarrow {{n_2}} }}{{\left| {\overrightarrow {{n_1}} } \right| \cdot \left| {\overrightarrow {{n_2}} } \right|}} = \dfrac{{\sqrt 6 }}{3}.\]所以二面角 $A - EC - D$ 的平面角的余弦值为 $\dfrac{{\sqrt 6 }}{3}$.
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2