三、解答题
(20) (本小题满分12分)
如图,已知四棱锥P-ABCD的底面ABCD为等腰梯形,AB∥CD,AC⊥BD,AC与BD
相交于点O,且顶点P在底面上的射影恰为O点,又BO=2,PO=
,PB⊥PD.
(Ⅰ)求异面直线PD与BC所成角的余弦值;
(Ⅱ)求二面角P-AB-C的大小;
(Ⅲ)设点M在棱PC上,且
为何值时,PC⊥平面BMD.
解法一:
∵PO⊥平面ABCD,∴PO⊥BD.
又PB⊥PD,BO=2,PO=
,
由平面几何知识得: OD=1,PD=
,PB=
.
(Ⅰ)过D作DE∥BC交于AB于E.连结PE,则
∠PDE或其补角为异面直线PD与BC所成的角.

∵四边形ABCD是等腰梯形,
∴OC=OD=1,OB=OA=2,OA⊥OB,
∴BC=
,AB=2
,CD=![]()
又AB∥DC,
∴四边形EBCD是平行四边形.
∴ED=BC=
,BE=CD=
.
∴E是AB的中点,且AE=
.
又PA=PB=
,
∴△PEA为直角三角形.
∴PE=
.
在△PED中,由余弦定理得:
cos∠PDE=![]()
.
故异面直线PD与BC所成的角的余弦值为
.
(Ⅱ)连结OE,由(Ⅰ)及三垂线定理知,∠PEO为二面角P-AB-C的平面角.
∴sin∠PEO=
,
∴∠PEO=45°.
∴二面角P-AB-C的大小为45°.
(Ⅲ)连结MD,MB,MO,

∵PC⊥平面BMD,OM
平面BMD,
∴PC⊥OM.
又在Rt△POC中,
PC=PD=
,OC=1,PO=
,
∴PM=
,MC=
,
∴
=2.
故λ=2时,PC⊥平面BMD.
解法二:

∵PO⊥平面ABCD,
∴PO⊥BD.
又PB⊥PD,BO=2,PO=
,
由平面几何知识得:
OD=OC=1,BO=AO=2.
以O为原点,OA,OB,OP分别为x,y,z轴建立如图所示的空间直角
坐标系,则各点坐标为O(0,0,0),A(2,0,0),B(0,2,0),
C(-1,0,0),D(0,-1,0),P(0,0,
).
(Ⅰ)∵
=(0,-1,-
),
=(-1,-2,0),
∴|
|=
,|
|=
,
·
=2.
∴cos<
,
>=
=
故直线PD与BC所成的角的余弦值为
.
(Ⅱ)设平面PAB的一个法向量为n=(x,y,z),
由于
=(-2,2,0),
=(-2,0,
),
由
得

取n=(1,1,
),又易知平面ABCD的一个法向量m=(0,0,1),

又二面角P-AB-C为锐角,
∴所求二面角P-AB-C的大小为45°.
(Ⅲ)设M(x0,0,z0),由于P,M,C三点共线,
z0=
x0+
, (1)
∵PC⊥平面BMD,
∴OM⊥PC.
∴(-1,0,-
)·(x0,0,z0)=0
∴x0+
z0=0.
(2)
由(1)(2)知:
x0=-
,z0=
.
∴M(-
,0,
).
∴λ=
=2.
故λ=2时,PC⊥平面BMD.
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