Question

已知在四棱锥P-ABCD中，侧面PAB⊥底面ABCD，O为AB中点，AD∥BC，AB⊥BC，PA=PB=BC=AB=2，AD=3．
（Ⅰ）求证：CD⊥平面POC；
（Ⅱ）求二面角O-PD-C的余弦值．

Answer

（Ⅰ）利用侧面PAB⊥底面ABCD，可证PO⊥底面ABCD，从而可证PO⊥CD，利用勾股定理，可证OC⊥CD，从而利用线面垂直的判定，可得CD⊥平面POC；
（Ⅱ）解法一：建立坐标系，确定平面OPD、平面PCD的一个法向量，利用向量的夹角公式，可求二面角O-PD-C的余弦值；
解法二：过点C作CM⊥OD于点M，过点M作MN⊥PD于点N，连接CN，证明∠MNC是二面角O-PD-C的平面角，从而可求二面角O-PD-C的余弦值．
（Ⅰ）证明：∵PA=PB=AB，O为AB中点，∴PO⊥AB
∵侧面PAB⊥底面ABCD，PO⊂侧面PAB，侧面PAB∩底面ABCD=AB，∴PO⊥底面ABCD
∵CD⊂底面ABCD，∴PO⊥CD
在Rt△OBC中，OC2=OB2+BC2=5
在Rt△OAD中，OD2=OA2+AD2=10
在直角梯形ABCD中，CD2=AB2+（AD-BC）2=5
∴OC2+CD2=OD2，∴△ODC是以∠OCD为直角的直角三角形，∴OC⊥CD
∵OC，OP是平面POC内的两条相交直线
∴CD⊥平面POC…（6分）
（Ⅱ）解法一：如图建立空间直角坐标系O-xyz，则，D（-1，3，0），C（1，2，0）
∴
假设平面OPD的一个法向量为，平面PCD的法向量为，则
由可得，取y1=1，得x1=3，z1=0，即，
由可得，取，得，z2=5，
即，∴
故二面角O-PD-C的余弦值为．…（12分）
解法二：过点C作CM⊥OD于点M，过点M作MN⊥PD于点N，连接CN．
则由于PO⊥平面OCD，PO⊂平面POD，所以平面POD⊥平面OCD，
∵CM⊂平面OCD，平面POD∩平面OCD=OD，∴CM⊥平面POD，∴CM⊥PD，
∵MN⊥PD，MN∩CM=M，∴PD⊥平面MCN，∴PD⊥NC，
即∠MNC是二面角O-PD-C的平面角．
在Rt△OCD中，，
在Rt△PCD中，，
所以，所以
故二面角O-PD-C的余弦值为．…（12分）