Question

如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是矩形．已知AB=3，AD=2，PA=2，PD=2，∠PAB=60°．
（Ⅰ）证明AD⊥平面PAB；
（Ⅱ）求异面直线PC与AD所成的角的大小；
（Ⅲ）求二面角P-BD-A的大小．

Answer

（I）由题意在△PAD中，利用所给的线段长度计算出AD⊥PA，在利用矩形ABCD及线面垂直的判定定理及、此问得证；
（II）利用条件借助图形，利用异面直线所称角的定义找到共面得两相交线，并在三角形中解出即可；
（III）由题中的条件及三垂线定理找到二面角的平面角，然后再在三角形中解出角的大小即可．
【解析】
（Ⅰ）证明：在△PAD中，由题设PA=2，PD=2，
可得PA2+AD2=PD2于是AD⊥PA．
在矩形ABCD中，AD⊥AB．又PA∩AB=A，
所以AD⊥平面PAB．

（Ⅱ）【解析】
由题设，BC∥AD，
所以∠PCB（或其补角）是异面直线PC与AD所成的角．
在△PAB中，由余弦定理得
PB=
由（Ⅰ）知AD⊥平面PAB，PB⊂平面PAB，
所以AD⊥PB，因而BC⊥PB，于是△PBC是直角三角形，故tanPCB=．
所以异面直线PC与AD所成的角的大小为arctan．

（Ⅲ）【解析】
过点P做PH⊥AB于H，过点H做HE⊥BD于E，连接PE
因为AD⊥平面PAB，PH⊂平面PAB，所以AD⊥PH．又AD∩AB=A，
因而PH⊥平面ABCD，故HE为PE再平面ABCD内的射影．
由三垂线定理可知，BD⊥PE，从而∠PEH是二面角P-BD-A的平面角．
由题设可得，
PH=PA•sin60°=，AH=PA•cos60°=1，
BH=AB-AH=2，BD=，
HE=
于是再RT△PHE中，tanPEH=
所以二面角P-BD-A的大小为arctan．