如图,在五棱锥 $ P-ABCDE $ 中,$PA\perp 平面 ABCDE$,$ AB\parallel CD $,$ AC\parallel ED $,$ AE\parallel BC $,$\angle ABC = 45^\circ $,$AB = 2\sqrt 2 $,$BC = 2AE = 4$,三角形 $ PAB $ 是等腰三角形.

【难度】
【出处】
2010年高考山东卷(理)
【标注】
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求证:平面 $ PCD \perp 平面 PAC $;标注答案解析在 $\triangle ABC$ 中,因为 $\angle ABC = 45^\circ $,$ BC=4 $,$AB = 2\sqrt 2 $,所以\[A{C^2} = A{B^2} + B{C^2} - 2AB \cdot BC \cdot \cos {45^ \circ } = 8.\]因此 $AC = 2\sqrt 2 $,故 $B{C^2} = A{C^2} + A{B^2}$,所以 $\angle BAC = {90^\circ}$.
又 $PA \perp平面 ABCDE $,$ AB\parallel CD $,所以 $CD \perp PA$,$CD \perp AC$.
又 $ PA,AC\subset 平面 PAC$,且 $ PA\cap AC=A $,所以 $ CD \perp 平面 PAC $.
又 $CD \subset平面 PCD $,所以 $ 平面 PCD \perp 平面 PAC $. -
求直线 $ PB $ 与平面 $ PCD $ 所成角的大小;标注答案解析解法一:
因为 $\triangle APB$ 是等腰三角形,所以 $PA = AB = 2\sqrt 2 $,因此 $PB = \sqrt {P{A^2} + A{B^2}} = 4$,又 $ AB\parallel CD $,所以点 $ B $ 到平面 $ PCD $ 的距离等于点 $ A $ 到平面 $ PCD $ 的距离.
由于 $ CD\perp 平面 PAC $,在 ${\mathrm{Rt}}\triangle PAC$ 中,$PA = 2\sqrt 2 $,$AC = 2\sqrt 2 $,所以 $ PC=4 $,故 $ PC $ 边上的高为 $ 2 $.此即为点 $ A $ 到平面 $ PCD $ 的距离,所以 $ B $ 到平面 $ PCD $ 的距离为 $h = 2$.设直线 $ PB $ 与平面 $ PCD $ 所成的角为 $\theta $,则 $\sin \theta = \dfrac{h}{PB} = \dfrac{2}{4} = \dfrac{1}{2}$,又 $\theta \in \left[0,\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}\right]$,所以 $\theta = \dfrac{{\mathrm \pi } }{6}$.
解法二:由(1)知 $ AB $,$ AC $,$ AP $ 两两相互垂直.
分别以 $ AB $,$ AC $,$ AP $ 为 $x$ 轴,$ y$ 轴,$ z $ 轴建立如图所示的空间直角坐标系.
由于 $\triangle PAB$ 是等腰三角形,所以 $PA = AB = 2\sqrt 2 $.又 $AC = 2\sqrt 2 $,因此\[A\left(0,0,0\right),B\left(2\sqrt 2 ,0,0\right),C\left(0,2\sqrt 2 ,0\right),P\left(0,0,2\sqrt 2 \right).\]因为 $ AC\parallel DE $,$CD\perp AC$,所以四边形 $ ACDE $ 是直角梯形.
因为 $AE = 2$,$\angle ABC = {45^\circ}$,$AE\parallel BC$,所以 $\angle BAE = {135^\circ}$.因此 $\angle CAE = {45^\circ}$,故\[CD = AE \cdot \sin {45^\circ} = 2 \times \dfrac{\sqrt 2 }{2} = \sqrt 2 ,\]所以 $D\left( - \sqrt 2 ,2\sqrt 2 ,0\right)$,因此\[\overrightarrow {CP} = \left(0, - 2\sqrt 2 ,2\sqrt 2 \right),\overrightarrow {CD} = \left( - \sqrt 2 ,0,0\right),\]设 $\overrightarrow m = \left(x,y,z\right)$ 是平面 $ PCD $ 的一个法向量,则\[\overrightarrow m \cdot \overrightarrow {CP} = 0,\overrightarrow m \cdot \overrightarrow {CD} = 0,\]解得 $x = 0,y = z$,取 $y = 1$,得 $\overrightarrow m = \left(0,1,1\right)$,又 $\overrightarrow {BP} = \left( - 2\sqrt 2 ,0,2\sqrt 2 \right)$,
设 $\theta $ 表示向量 $\overrightarrow {BP} $ 与平面 $ PCD $ 的法向量 $\overrightarrow m$ 所成的角,则\[\cos \theta = \dfrac{{\overrightarrow m \cdot \overrightarrow {BP} }}{{ \left|\overrightarrow m \right| \left|\overrightarrow {BP} \right|}} = \dfrac{1}{2},\]所以 $\theta = \dfrac{\mathrm \pi }{3}$,因此直线 $ PB $ 与平面 $ PCD $ 所成的角为 $\dfrac{\mathrm \pi }{6}$. -
求四棱锥 $ P-ACDE $ 的体积.标注答案解析因为 $ AC\parallel ED $,$CD \perp AC$,所以四边形 $ ACDE $ 是直角梯形,
因为 $AE = 2$,$\angle ABC = {45^\circ}$,$AE\parallel BC$,所以 $\angle BAE = {135^\circ}$,
因此 $\angle CAE = {45^\circ}$,故\[\begin{split}CD &= AE \cdot \sin {45^\circ} = 2 \times \dfrac{\sqrt 2 }{2} = \sqrt 2 ,\\ ED &= AC - AE \cdot \cos {45^\circ} = 2\sqrt 2 - 2 \times \dfrac{\sqrt 2 }{2} = \sqrt 2 ,\end{split}\]所以\[{S_{四边形ACDE}} = \dfrac{\sqrt 2 + 2\sqrt 2 }{2} \times \sqrt 2 = 3.\]又 $PA \perp 平面 ABCDE$,所以\[{V_{P - ACDE}} = \dfrac{1}{3} \times 3 \times 2\sqrt 2 = 2\sqrt 2 .\]
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
问题3
答案3
解析3
备注3