Question

如图，在五棱锥P-ABCDE中，PA⊥平面ABCDE，AB∥CD，AC∥ED，AE∥BC，∠ABC=45°，AB=2，BC=2AE=4，三角形PAB是等腰三角形．
（Ⅰ）求证：平面PCD⊥平面PAC；
（Ⅱ）求直线PB与平面PCD所成角的大小；
（Ⅲ）求四棱锥P-ACDE的体积．

Answer

（Ⅰ）要证平面PCD⊥平面PAC，只需证明平面PCD内的直线CD，垂直平面PAC内的两条相交直线PA、AC即可；
（Ⅱ）过点A作AH⊥PC于H，说明∠PBO为所求角，然后解三角形求直线PB与平面PCD所成角的大小，也可以利用空间直角坐标系，求出向量，平面PCD的一个法向量，计算，即可．
（Ⅲ）直接求出底面面积和高，再求四棱锥P-ACDE的体积．
【解析】
（Ⅰ）证明：因为∠ABC=45°，AB=2，BC=4，
所以在△ABC中，由余弦定理得：，解得，
所以AB2+AC2=8+8=16=BC2，即AB⊥AC，
又PA⊥平面ABCDE，所以PA⊥AB，
又PA∩AC=A，所以AB⊥平面PAC，又AB∥CD，所以CD⊥平面PAC，
又因为CD⊂平面PCD，所以平面PCD⊥平面PAC；

（Ⅱ）由（Ⅰ）知平面PCD⊥平面PAC，

所以在平面PAC内，过点A作AH⊥PC于H，
则AH⊥平面PCD，又AB∥CD，AB⊄平面PCD内，所以AB平行于平面PCD，
所以点A到平面PCD的距离等于点B到平面PCD的距离，过点B作BO⊥平面PCD于点O，
则∠BPO为所求角，且AH=BO，又容易求得AH=2，
所以，即∠BPO=30°，
所以直线PB与平面PCD所成角的大小为30°；

另【解析】
（Ⅱ）因为△PAB为等腰三角形，所以
又AB∥CD，所以点B到平面PCD的距离等于点A到平面PCD的距离．
由CD⊥平面PAC，在Rt△PAC中，，所以PC=4．
故PC边上的高为2，即点A到平面的距离，即点点B到平面PCD的距离为2．
设直线PB与平面PCD所成的角为θ，则，
又，所以．

（Ⅱ）由（Ⅰ）知AB，AC，AP两两互相垂直，
分别以AB，AC，AP为x，y，z轴建立如图所示的空间直角坐标系，
由△PAB为等腰直角三角形，所以，
而，则
因为AC∥ED，CD⊥AC，所以四边形ACDE是直角梯形．
因为AE=2，∠ABC=45°，AE∥BC，所以∠BAE=135°，∠CAE=45°，
故，所以．
因此，设是平面PCD的一个法向量，
则，解得x=0，y=z．取y=1，得，
而．
设θ表示向量与平面PCD的法向量所成的角，则
因此直线PB与平面PCD所成角的大小为；
（Ⅲ）由（Ⅰ）知CD⊥平面PAC，所以CD⊥AC，又AC∥ED，所以四边形ACDE是直角梯形，又容易求得，AC=，所以四边形ACDE的面积为，所以四棱锥P-ACDE的体积为=．