Question

如图，在四棱锥S-ABCD中，平面SAD⊥平面ABCD．底面ABCD为矩形，，SA=SD=a．
（Ⅰ）求证：CD⊥SA；
（Ⅱ）求二面角C-SA-D的大小．

Answer

法一：（Ⅰ）因为平面SAD⊥平面ABCD，CD⊥AD，且面SAD∩面ABCD=AD，所以CD⊥平面SAD．由此能够证明CD⊥SA．
（Ⅱ）由（Ⅰ）知，CD⊥SA．在△SAD中，SA=SD=a，，所以SA⊥SD，所以SA⊥平面SDC．所以∠CSD为二面角C-SA-D的平面角．由此能够求出二面角C-SA-D的大小．
法二：（Ⅰ）取BC的中点E，AD的中点P．在△SAD中，SA=SD=a，P为AD的中点，所以，SP⊥AD．又因为平面SAD⊥平面ABCD，且平面SAD∩平面ABCD=AD，所以，SP⊥平面ABCD．PE⊥AD．以PA为x轴，PE为y轴，PS为z轴建立空间直角坐标系，由向量法证明CD⊥SA． 
（Ⅱ）设=（x，y，z）为平面CSA的一个法向量，则，所以．为平面SAD的一个法向量，=（0，1，0）为平面SAD的一个法向量，由向量法能求出二面角C-SA-D的大小．
（本小题满分14分）
法一：
证明：（Ⅰ）因为平面SAD⊥平面ABCD，CD⊥AD，且面SAD∩面ABCD=AD，
所以CD⊥平面SAD．
又因为SA⊂平面SAD
所以CD⊥SA．                …（6分）
（Ⅱ）由（Ⅰ）可知，CD⊥SA．
在△SAD中，SA=SD=a，，
所以SA⊥SD，
所以SA⊥平面SDC．
即SA⊥SD，SA⊥SC，
所以∠CSD为二面角C-SA-D的平面角．
在Rt△CDS中，，
所以二面角C-SA-D的大小．      …（14分）
法二：
（Ⅰ）取BC的中点E，AD的中点P．
在△SAD中，SA=SD=a，P为AD的中点，所以，SP⊥AD．
又因为平面SAD⊥平面ABCD，且平面SAD∩平面ABCD=AD
所以，SP⊥平面ABCD．显然，有PE⊥AD．   …（1分）
如图，以P为坐标原点，PA为x轴，PE为y轴，PS为z轴建立空间直角坐标系，
则，，，，．      …（3分）
（Ⅰ）易知
因为，
所以CD⊥SA．       …（6分）
（Ⅱ）设=（x，y，z）为平面CSA的一个法向量，
则有，所以．…（7分）
显然，EP⊥平面SAD，所以为平面SAD的一个法向量，
所以=（0，1，0）为平面SAD的一个法向量．…（9分）
所以 ，
所以二面角C-SA-D的大小为．   …（14分）