Question

在直角梯形PBCD中，∠D=∠C=

π

2

，BC=CD=2，PD=4，A為PD的中點(diǎn)，如圖1．將△PAB沿AB折到△SAB的位置，使SB⊥BC，點(diǎn)E在SD上，且SE=

1

3

SD，如圖2．

（1）求證：SA⊥平面ABCD；
（2）求二面角E-AC-D的余弦值；
（3）在線段BC上是否存在點(diǎn)F，使SF∥平面EAC？若存在，確定F的位置，若不存在，請(qǐng)說明理由．

Answer 1

考點(diǎn)：與二面角有關(guān)的立體幾何綜合題,直線與平面平行的判定,直線與平面垂直的判定

專題：空間位置關(guān)系與距離,空間角

分析：（法一）
（1）由題意可知，題圖2中SA⊥AB①，易證BC⊥SA②，由①②根據(jù)直線與平面垂直的判定定理可得SA⊥平面ABCD；
（2）（三垂線法）由

SE

=

1

3

SD

，考慮在AD上取一點(diǎn)O，使得 

AO

=

1

3

AD

，從而可得EO∥SA，所以EO⊥平面ABCD，過O作OH⊥AC交AC于H，連接EH，∠EHO為二面角E-AC-D的平面角，在Rt△AHO中求解即可
（3）取BC中點(diǎn)F，所以

FM

MD

=

FC

AD

=

1

2

，又由題意

SE

ED

=

1

2

，從而可得SF∥EM，所以有SF∥平面EAC
（法二：空間向量法）
（1）同法一
（2）以A為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，易知平面ACD的法向?yàn)?span id="yqm6u1b" class="MathJye">

AS

=（2，0，0），求平面EAC的法向量，代入公式求解即可．
（3）由SF∥平面EAC，所以

SF

•

n

=0，利用向量數(shù)量的坐標(biāo)表示，可求

解答： 解法一：（1）證明：在題圖1中，由題意可知，BA⊥PD，ABCD為正方形，
所以在題圖2中，SA⊥AB，SA=2，
四邊形ABCD是邊長(zhǎng)為2的正方形，
因?yàn)镾B⊥BC，AB⊥BC，
所以BC⊥平面SAB，（2分）
又SA?平面SAB，
所以BC⊥SA，
又SA⊥AB，
所以SA⊥平面ABCD，（4分）
（2）在AD上取一點(diǎn)O，使

AO

=

1

3

AD

，連接EO．
因?yàn)?span id="pbgcd1o" class="MathJye">

SE

=

1

3

SD

，所以EO∥SA
所以EO⊥平面ABCD，
過O作OH⊥AC交AC于H，連接EH，
則AC⊥平面EOH，
所以AC⊥EH．
所以∠EHO為二面角E-AC-D的平面角，EO=

2

3

SA=

4

3

．
在Rt△AHO中，∠HAO=45°，HO=

2

3

sin45°=

2

3

．
tan∠EHO=

EO

OH

=2

2

，
即二面角E-AC-D的正切值為2

2

．（9分）
（3）當(dāng)F為BC中點(diǎn)時(shí)，SF∥平面EAC，
理由如下：取BC的中點(diǎn)F，連接DF交AC于M，
連接EM，AD∥FC，
所以

FM

MD

=

FC

AD

=

1

2

，又由題意

SE

ED

=

1

2

，
SF∥EM，
所以SF∥平面EAC，即當(dāng)F為BC的中點(diǎn)時(shí)，
SF∥平面EAC．（12分）
解法二：（1）同方法一（4分）
（2）如圖，以A為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，
A（0，0，0），B（2，0，0），C（2，2，0），D（0，2，0），S（0，0，2），E（0，

2

3

，

4

3

）
平面ACD的法向量為

AS

=（0，0，2），
設(shè)平面EAC的法向量為

n

=（x，y，z），

AC

=（2，2，0），

AE

=（0，

2

3

，

4

3

），
由

n • AC =2x+2y=0 n • AE = 2 3 y+ 4 3 z=0

，
所以

x+y=0 y+2z=0

，取x=2，得

n

=（2，-2，1）．（7分）
所以cos＜

n

，

AS

＞=

2

2×3

=

1

3

，
所以tan＜

n

，

AS

＞=2

2

，
即二面角E-AC-D的正切值為2

2

．（9分）
（3）設(shè)存在F∈BC，
所以SF∥平面EAC，
設(shè)F（2，a，0）
所以

SF

=（2，a，-2），由SF∥平面EAC，
所以

SF

=（2，a，-2），所以4-2a-2=0，
即a=1，即F（2，1，0）為BC的中點(diǎn)（12分）

點(diǎn)評(píng)：本題主要考查了空間直線與平面的位置關(guān)系：直線與平面平行及直線與平面平行的判定定理的運(yùn)用，空角角中的二面角的平面角的作法及求解，利用向量的方法求解空間距離及空間角 的方法．