Question

已知四棱锥P-ABCD的底面为直角梯形，AB∥DC，∠DAB=90°，PA⊥底面ABCD，且是PB的中点．
（1）判断在PD上是否存在一点E，使面ABE⊥面PCD，并说明理由；
（2）求面AMC与面BMC所成的二面角的大小；
（3）求点D到面MAC的距离．

Answer

（1）根据线面垂直的判定与性质，证出CD⊥平面PAD，所以CD⊥PD．在△PAD中，取PD的中点E，可得AE⊥PD，结合AE⊥CD，得AE⊥平面PCD，所以平面ABE⊥平面PCD，得存在PD的中点E，使得平面ABE⊥平面PCD；
（2）作AN⊥CM，垂足为N，连接BN，用三角形全等证出BN⊥CM，得∠ANB为面AMC与面BMC所成的二面角的平面角．△ANB中利用余弦定理，算出，即得面AMC与面BMC所成的二面角的大小；
（3）求出点M到平面ACD的距离h1=PA=，设点D到面MAC的距离为h2．三棱锥M-ADC中，由等体积转换得=，代入数据化简整理，即可得到点D到面MAC的距离h2．
【解析】
（1）∵PA⊥底面ABCD，CD⊥AD
∴PA⊥CD，
∵AD⊥CD，PA、AD是平面PAD内的相交直线
∴CD⊥平面PAD，得CD⊥PD
在△PAD中，取PD的中点E，
∵△PAD中，PA=AD，∴AE⊥PD，
∵CD⊥平面PAD，AE⊂平面PAD，∴AE⊥CD，
∵PD、CD是平面PCD内的相交直线，∴AE⊥平面PCD
∵AE⊂面ABE，∴面ABE⊥面PCD，
即在PD上存在一点E，且E是PD的中点，使得面ABE⊥面PCD
（2）作AN⊥CM，垂足为N，连接BN
在Rt△PAB中，AM=MB且AC=CB，
∴△AMC≌△BMC，可得BN⊥CM，
因此，∠ANB为面AMC与面BMC所成的二面角的平面角
∵CB⊥AC，PA⊥平面ABCD，∴CB⊥PC
在Rt△PCB中，CM=MB，可得CM=AM=PB=
在等腰△AMC中，
∴，
又∵AB=2，∴
因此，面AMC与面BMC所成二面角的大小为．
（3）点M到平面ACD的距离h1=PA=，设点D到面MAC的距离为h2
S△ACD=×AD×DC=，S△ACM=×CM×AN=
∵由三棱锥的体积公式，得VM-ACD=VD-ACM，
∴，可得，解之得
故点D到面MAC的距离为．