Question

如图，在四棱锥P-ABCD中，则面PAD⊥底面ABCD，侧棱PA=PD=，底面ABCD为直角梯形，其中BC∥AD，AB⊥AD，AD=2AB=2BC=2，O为AD中点．
（Ⅰ）求证：PO⊥平面ABCD；
（Ⅱ）求异面直线PB与CD所成角的大小；
（Ⅲ）线段AD上是否存在点Q，使得它到平面PCD的距离为？若存在，求出的值；若不存在，请说明理由．

Answer

法一：（Ⅰ）证明直线PO⊥平面ABCD，因为平面PAD⊥底面ABCD，只需证明面PAD内的直线PO垂直这两个平面的交线即可即；
（Ⅱ）连接BO，说明∠PBC是异面直线PB与CD所成的角，然后解三角形，求异面直线PD与CD所成角的大小；
（Ⅲ）线段AD上存在点Q，设QD=x，利用等体积方法，求出比值．
法二：建立空间直角坐标系，求出向量．
利用向量数量积解答（Ⅱ）；利用平面的法向量和数量积解答（Ⅲ）即可．
【解析】
（Ⅰ）证明：在△PAD中，PA=PD，O为AD的中点，所以PO⊥AD
又侧面PAD⊥底面ABCD，平面PAD∩平面ABCD=AD，PO⊂平面PAD
所以PO⊥平面ABCD．

（Ⅱ）连接BO，在直角梯形ABCD中，BC∥AD，AD=2AB=2BC=2有OD∥BC
且OD=BC，所以四边形OBCD是平行四边形，所以OB∥DC
由（Ⅰ）知PO⊥OB，∠PBC是锐角，
所以∠PBC是异面直线PB与CD所成的角
因为AD=2AB=2BC=2，在Rt△AOB中，AB=1，AO=1，所以OB=
在Rt△AOP中  因为AP=AO=1，所以OP=1
在Rt△AOP中tan∠PBC=
所以：异面直线PB与CD所成角的大小．

（Ⅲ）假设存在点Q，使得它到平面PCD的距离为．
设QD=x，则，由（Ⅱ）得CD=OB=，
在Rt△POC中，，
所以PC=CD=DP，，
由Vp-DQC=VQ-PCD，得x=，所以存在点Q满足题意，此时．

解法二：
（Ⅰ）同解法一．
（Ⅱ）以O为坐标原点，的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向，建立空间直角坐标系O-xyz，
依题意，易得A（0，-1，0），B（1，-1，0），C（1，0，0），D（0，1，0），P（0，0，1），
所以．
所以异面直线PB与CD所成的角是arccos，

（Ⅲ）假设存在点Q，使得它到平面PCD的距离为，
由（Ⅱ）知．
设平面PCD的法向量为n=（x，y，z）．
则所以即x=y=z，
取x=1，得平面PCD的一个法向量为=（1，1，1）．
设，由，得，
解y=-或y=（舍去），
此时，所以存在点Q满足题意，此时．