Question

如圖，已知四棱錐P-ABCD，PB⊥AD側面PAD為邊長等于2的正三角形，底面ABCD為菱形，側面PAD與底面ABCD所成的二面角為120°．
（I）求點P到平面ABCD的距離，
（II）求面APB與面CPB所成二面角的大小．

Answer 1

【答案】分析：（1）側面PAD為邊長等于2的正三角形，底面ABCD為菱形，△PAD與菱形ABCD有公共邊AD，所以△PAD≌△ADB≌△CDB，故作PO⊥平面ABCD，垂足為點O．連接OB、OA、OD、OB與AD交于點E，連接PE．于是OB平分AD，點E為AD的中點，所以PE⊥AD．由此知∠PEB為面PAD與面ABCD所成二面角的平面角，為120°，所以PO=PE•sin60°=．
（2）解法一：
建立直角坐標系，其中O為坐標原點，x軸平行于DA，OB為y軸，OP為z軸，連接AG．
則：P（0，0，），B（0，，0），PB的中點G的坐標為（0，，），A（1，，0），C（-2，，0）．根據坐標運算即可求得面APB與面CPB所成二面角的大小．這種解法的好處就是：（1）解題過程中較少用到空間幾何中判定線線、面面、線面相對位置的有關定理，因為這些可以用向量方法來解決．（2）即使立體感稍差一些的學生也可以順利解出，因為只需畫個草圖以建立坐標系和觀察有關點的位置即可．
解法二：
求解二面角的大小，關鍵在于作出它的平面角．取PB的中點G，PC的中點F，連接EG、AG、GF，則AG⊥PB，FG∥BC，FG=BC．因為AD⊥PB，所以BC⊥PB，FG⊥PB，所以∠AGF是所求二面角的平面角．
解答：（I）解：如圖，作PO⊥平面ABCD，垂足為點O．連接OB、OA、OD、OB與AD交于點E，連接PE．

∵AD⊥PB，∴AD⊥OB，
∵PA=PD，∴OA=OD，
于是OB平分AD，點E為AD的中點，所以PE⊥AD．由此知∠PEB為面PAD與面ABCD所成二面角的平面角，
∴∠PEB=120°，∠PEO=60°
由已知可求得PE=
∴PO=PE•sin60°=，
即點P到平面ABCD的距離為．
（II）解法一：如圖建立直角坐標系，其中O為坐標原點，x軸平行于DA.．連接AG．

又知．由此得到：
，
．

所以
等于所求二面角的平面角，
于是，
所以所求二面角的大小為．
解法二：如圖，取PB的中點G，PC的中點F，連接EG、AG、GF，則AG⊥PB，FG∥BC，FG=BC．

∵AD⊥PB，∴BC⊥PB，FG⊥PB，
∴∠AGF是所求二面角的平面角．
∵AD⊥面POB，∴AD⊥EG．
又∵PE=BE，∴EG⊥PB，且∠PEG=60°．
在Rt△PEG中，EG=PE•cos60°=．
在Rt△PEG中，EG=AD=1．
于是tan∠GAE==，
又∠AGF=π-∠GAE．
所以所求二面角的大小為π-arctan．
點評：本小題主要考查棱錐，二面角和線面關系等基本知識，同時考查空間想象能力和推理、運算能力．