Question

如图，在底面是正方形的四棱锥P-ABCD中，PA⊥面ABCD，BD交AC于点E，F是PC中点，G为AC上一点．
（Ⅰ）求证：BD⊥FG；
（Ⅱ）确定点G在线段AC上的位置，使FG∥平面PBD，并说明理由；
（Ⅲ）当二面角B-PC-D的大小为时，求PC与底面ABCD所成角的正切值．

Answer

（Ⅰ）要证：BD⊥FG，先证BD⊥平面PAC即可．
（Ⅱ）确定点G在线段AC上的位置，使FG∥平面PBD，FG∥平面PBD内的一条直线即可．
（Ⅲ）当二面角B-PC-D的大小为时，求PC与底面ABCD所成角的正切值．
只要作出二面角的平面角，解三角形即可求出结果．
这三个问题可以利用空间直角坐标系，解答（Ⅰ）求数量积即可．
（Ⅱ）设才点的坐标，向量共线即可解答．
（Ⅲ）利用向量数量积求解法向量，然后转化求出PC与底面ABCD所成角的正切值．
证明：（Ⅰ）∵PA⊥面ABCD，四边形ABCD是正方形，其对角线BD，AC交于点E，
∴PA⊥BD，AC⊥BD，
∴BD⊥平面PAC，
∵FG⊂平面PAC，
∴BD⊥FG（5分）
解（Ⅱ）：当G为EC中点，即AG=AC时，FG∥平面PBD，（7分）
理由如下：
连接PE，由F为PC中点，G为EC中点，知FG∥PE，
而FGË平面PBD，PE⊂平面PBD，
故FG∥平面PBD．（9分）
解（Ⅲ）：作BH^PC于H，连接DH，
∵PA⊥面ABCD，四边形ABCD是正方形，
∴PB=PD，
又∵BC=DC，PC=PC，
∴△PCB≌△PCD，
∴DH⊥PC，且DH=BH，
∴ÐBHD就是二面角B-PC-D的平面角，（11分）
即ÐBHD=，
∵PA⊥面ABCD，∴ÐPCA就是PC与底面ABCD所成的角（12分）
连接EH，则EH⊥BD，ÐBHE=，EH⊥PC，
∴tanÐBHE=，而BE=EC，
∴，∴sinÐPCA=，∴tanÐPCA=，
∴PC与底面ABCD所成角的正切值是（14分）
或用向量方法：
【解析】
以A为原点，AB，AD，AP所在的直线分别为x，y，z轴建立空间直角坐标系如图所示，设正方形ABCD的边长为1，则A（0，0，0），B（1，0，0），C（1，1，0），D（0，1，0），P（0，0，a）（a＞0），E（），F（），G（m，m，0）（0＜m＜）（2分）
（Ⅰ）=（-1，1，0），=（），×=-m++m-+0=0，
∴BD⊥FG（5分）
（Ⅱ）要使FG∥平面PBD，只需FG∥EP，而=（），由=l可得，
解得l=1，m=，（7分）
∴G（，，0），∴，
故当AG=AC时，FG∥平面PBD（9分）

（Ⅲ）设平面PBC的一个法向量为=（x，y，z），
则，而，，
∴，取z=1，得=（a，0，1），同理可得平面PDC的一个法向量为=（0，a，1），
设，所成的角为q，则|cosq|=|cos|=，即=，∴，∴a=1（12分）
∵PA⊥面ABCD，∴ÐPCA就是PC与底面ABCD所成的角，
∴tanÐPCA=（14分）