Question

如图．在组合体中，ABCD-A₁B₁C₁D₁是一个长方体，P-ABCD是一个四棱锥，且AB=2，P∈平面CC₁D₁D，．PC∥平面AB₁D
（1）求证：PD⊥平面PBC；
（2）若AA₁=a，求a值；
（3）求点C₁到平面PAB的距离；
（4）若点P，A，D，C₁在同一球面上，求此球面的面积．

Answer

（1）要证线面垂直，只需证线线垂直．据，AB=2，可得PD⊥PC；BC⊥平面PDC，可得PD⊥BC，从而得证．

（2）若PC∥平面AB1D，据线面平行的性质定理可得PC∥DC1，知∠CDC1=∠PCD=45°，则AA1=CD=2即可．

（3）欲求点C到平面PAB的距离，直接由点C作平面PAB的垂线，需补形，不易作出，考虑用等积法完成，十分简洁．

（4）在条件及（2）的前提下，可知PD，PA，PC1两两垂直，引导学生分析：点P，A，D，C1所在的球面就是以PD，DC1，AD为相邻三条棱的长方体的外接球面，从而可求此球面的直径，可求出球面的面积．
证明：（1）∵ABCD-A1B1C1D1是一个长方体，
∴BC⊥平面CC1D1D，
∵P∈平面CC1D1D，
∴PD⊂平面CC1D1D，
∴PD⊥BC．
∵，AB=2，
∴△PCD为等腰直角三角形，
∴PD⊥PC．
∵PD垂直于平面PBC内的两条相交直线PC和BC，
∴PD⊥平面PBC．
【解析】
（2）当a=2时，四边形CC1D1D是一个正方形，
∴∠CDC1=45°，
∵∠PCD=45°，
又PC和C1D在同一个平面内，
∴PC∥DC1，
∵DC1⊂平面AB1D，PC⊄平面AB1D，
∴PC∥平面AB1D．
（3）过点P作PE⊥CD交CD于E，
∵面ABCD⊥面PDC，面ABCD∩面PDC=CD，
∴PE⊥平面ABCD，
∴PE=1．
连接AC，设点C到平面PAB的距离为h，
三棱锥P-ABC的体积与三棱锥C-PAB的体积相等，
则，
∵PA=PD=2，AB=2，
∴，
，
∴，，
∴点C到平面PAB的距离为．
（4）∵AD⊥平面CC1D1D（6），PD，DC1在平面CC1D1D内，
AD⊥PD，AD⊥DC1，
由（2）知∠PDC1=90°，
即PD⊥DC1，
∴PD，PA，PC1两两垂直，
∴点P，A，D，C1所在的球面就是以PD，DC1，AD为相邻三条棱的长方体的外接球面，
∵，，
∴此球面的直径，
∴球面的半径，
∴所求球面的面积为．