Question

如图，四棱锥P-ABCD的底面为正方形，侧棱PA⊥底面ABCD，且PA=AD=2，E，F，H分别是线段PA，PD，AB的中点．
（Ⅰ）求证：PB∥平面EFH；
（Ⅱ）求证：PD⊥平面AHF；
（Ⅲ）求二面角H-EF-A的大小．

Answer

（Ⅰ）要证PB∥平面EFH，须证PB平行平面EFH内的一条直线即可．
（Ⅱ）要证PD⊥平面AHF，须证PD垂直面内两条相交直线即可．
（Ⅲ）求二面角H-EF-A的大小．必须找出二面角的平面角，求解即可．
解法一：
（Ⅰ）证明：∵E，H分别是线段PA，AB的中点，
∴EH∥PB．
又∵EH⊂平面EFH，PB∉平面EFH，
∴PB∥平面EFH．

（Ⅱ）【解析】
∵F为PD的中点，且PA=AD，∴PD⊥AF，
又∵PA⊥底面ABCD，BA⊂底面ABCD，∴AB⊥PA．
又∵四边形ABCD为正方形，∴AB⊥AD．
又∵PA∩AD=A，∴AB⊥平面PAD．
又∵PD⊂平面PAD，∴AB⊥PD．
又∵AB∩AF=A，∴PD⊥平面AHF．

（Ⅲ）∵PA⊥平面ABCD，PA⊂平面PAB，∴平面PAB⊥平面ABCD，
∵AD⊂平面ABCD，平面PAB∩平面ABCD=AB，AD⊥AB，∴AD⊥平面PAB，
∵E，F分别是线段PA，PD的中点，∴EF∥AD，∴EF⊥平面PAB．
∵EH⊂平面PAB，EA⊂平面PAB，∴EF⊥EH，∴EF⊥EA，
∴∠HEA就是二面角H-EF-A的平面角．
在Rt△HAE中，，∴∠AEH=45°，
所以二面角H-EF-A的大小为45°．

解法二：建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz，
∴A（0，0，0），B（2，0，0），C（2，2，0），D（0，2，0），
P（0，0，2），E（0，0，1），F（0，1，1），H（1，0，0）．
（Ⅰ）证明：∵，，
∴，
∵PB∉平面EFH，且EH⊂平面EFH，
∴PB∥平面EFH．

（Ⅱ）【解析】
，，，
，
．
∴PD⊥AF，PD⊥AH，
又∵AF∩AH=A，∴PD⊥平面AHF．

（Ⅲ）设平面HEF的法向量为，
因为，，
则取．
又因为平面AEF的法向量为，
所以，
∴，
所以二面角H-EF-A的大小为45°．