Question

如圖，在等腰梯形PDCB中，PB=3，DC=1，PD=BC=，A為PB邊上一點，且PA=1，將△PAD沿AD折起，使平面PAD⊥平面ABCD．
（Ⅰ）求證：CD⊥平面PAD；
（Ⅱ）若M為PB的中點，試求異面直線AN和BC所成的角的余弦值．
（Ⅲ）試問：在側棱PB上是否存在一點Q，使截面AQC把幾何體分成的兩部分的體積之比V_PDCQ：V_QACB=7：2？若存在，請求PQ的長；若不存在，請說明理由．

Answer 1

證明：（Ⅰ）依題意知PA=1，PD=
∴AD⊥AB，
又CD∥AB
∴CD⊥AD
又∵平面PAD⊥平面ABCD，平面PAD∩平面ABCD=AD，
CD⊥平面PAD（4分）

（Ⅱ）如圖，把四棱錐P-ABCD補成一個長方體，
其中C，G分別為所在棱的中點，則易得AM∥DF，DG∥CB，
所以∠FDG就是異面直線AM和BC所成的角（6分）
連接FG，在△GBE中，GE=
在△GEF中，FG=
在△FDG中，DG=GE=，
由余弦定理可得：
cos∠FDG=（8分）
所以異面直線AM和BC所成的角的余弦值為．（9分）

（Ⅲ）解：假設在側棱PB上存在一點Q，滿足條件
∵V_PDCQA：V_QACB=7：2
∴（11分）
又由∠PAD=∠DAB=90°知PA⊥平面ABCD，又
，S_△ABC=1．
設Q到平面ABCD的距離為h，則

∴（12分）
又∵，∴
故PQ=（14分）
分析：（Ⅰ）由CD⊥AD和平面PAD⊥平面ABCD，平面PAD∩平面ABCD=AD，根據面面垂直的性質定理證明；
（Ⅱ）如圖，把四棱錐P-ABCD補成一個長方體，則有AM∥DF，DG∥CB，可得到∠FDG就是異面直線AM和BC所成的角，再在△GBE中，求得GE，在△GEF中，求得FG，在△FDG中，求得DG，利用由余弦定理求解．
（Ⅲ）假設在側棱PB上存在一點Q，滿足條件V_PDCQA：V_QACB=7：2，轉化為，再由相似性求解．
點評：本題主要考查面面垂直的性質定理，用余弦定理求解異面直線所成角和通過相似性來求解線段的長度等，培養學生轉化化歸的能力．