Question

如图，PA⊥平面ABCD，四边形ABCD是矩形，PA=AD=a，M，N分别是AB，PC的中点．
（1）求平面PCD与平面ABCD所成二面角的大小；
（2）求证：MN⊥平面PCD；
（3）当AB的长度变化时，求异面直线PC与AD所成角的可能范围．

Answer

（1）由题设条件及几何体的直观图可证得∠PDA是平面PCD与平面ABCD所成二面角的平面角，在Rt△PAD中，求出此角的值即可得到二面角的大小；
（2）观察图形，取PD中点E，连接AE，EN，又M，N分别是AB，PC的中点可证得四边形AMNE是平行四边形，得出MN∥AE，再证明AE⊥平面PCD即可得到MN⊥平面PCD；
（3）求异面直线所成的角得先作角，由图形及题设条件知∠PCB为异面直线PC，AD所成的角，在三角形PCB中解此角即可；
【解析】
（1）PA⊥平面ABCD，CD⊥AD，∴PD⊥CD．
故∠PDA是平面PCD与平面ABCD所成二面角的平面角．
在Rt△PAD中，PA⊥AD，PA=AD，∴∠PDA=45°．…（3分）
（2）如图，取PD中点E，连接AE，EN，又M，N分别是AB，PC的中点，
∴EN∥CD∥AB∴AMNE是平行四边形∴MN∥AE．
在等腰Rt△PAD中，AE是斜边的中线．∴AE⊥PD．
由PA⊥平面ABCD，四边形ABCD是矩形，可推出CD⊥PD
又CD⊥AD，AD∩PD=D
∴CD⊥平面PAD，∴CD⊥AE，
又PD∩CD=D，∴AE⊥平面PCD．∴MN⊥平面PCD．…（7分）
（3）∵AD∥BC，∴∠PCB为异面直线PC，AD所成的角．
由三垂线定理知PB⊥BC，设AB=x（x＞0）．∴tan∠PCB==．
又∵∈（0，∞），∴tan∠PCB∈（1，+∞）．
又∠PCB为锐角，∴∠PCB∈（，），
即异面直线PC，AD所成的角的范围为（，）．…（12分）