(13分)如图,四面体$P-ABC$中,$PA=AB=BC=1$,$PC=\sqrt{3}$,$PA\bot$平面$ABC$. (Ⅰ)求证:$BC\bot$平面$PAB$; (Ⅱ)求二面角$A-PC-B$的大小.
答案:(Ⅰ)证明过程见解析; (Ⅱ)$\dfrac{\pi }{3}$. 分析:(Ⅰ)由$PA\bot$平面$ABC$可得$PA\bot AC$,$PA\bot BC$,由勾股定理可得$BC\bot AB$,再利用线面垂直的判定定理即可证得$BC\bot$平面$PAB$; (Ⅱ)以点$B$为坐标原点,分别以$\overrightarrow{BA}$,$\overrightarrow{BC}$所在直线为$x$轴,$y$轴的正方向,建立空间直角坐标系,求出相应向量的坐标,进而求出平面$APC$和平面$BPC$的法向量,再利用二面角的向量公式计算即可. 证明:(Ⅰ)$\because PA\bot$平面$ABC$,$AC\subset$平面$ABC$,$BC\subset$平面$ABC$, $\therefore PA\bot AC$,$PA\bot BC$, $\because PA=1$,$PC=\sqrt{3}$, $\therefore AC=\sqrt{P{C}^{2}-P{A}^{2}}=\sqrt{3-1}=\sqrt{2}$, 又$\because AB=BC=1$,$\therefore AC^{2}=AB^{2}+BC^{2}$, $\therefore BC\bot AB$,又$\because PA\bigcap AB=A$, $\therefore BC\bot$平面$PAB$; 解:(Ⅱ)以点$B$为坐标原点,分别以$\overrightarrow{BA}$,$\overrightarrow{BC}$所在直线为$x$轴,$y$轴的正方向,建立空间直角坐标系,如图所示:
则$A(0$,1,$0)$,$B(0$,0,$0)$,$C(1$,0,$0)$,$P(0$,1,$1)$, $\therefore$$\overrightarrow{AP}=(0$,0,$1)$,$\overrightarrow{AC}=(1$,$-1$,$0)$,$\overrightarrow{BP}=(0$,1,$1)$,$\overrightarrow{BC}=(1$,0,$0)$, 设平面$APC$的一个法向量为$\overrightarrow{n}=(x$,$y$,$z)$, 则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{AP}\cdot \overrightarrow{n}=z=0}\\ {\overrightarrow{AC}\cdot \overrightarrow{n}=x-y=0}\end{array}\right.$,取$x=1$,得$\overrightarrow{n}=(1$,1,$0)$, 设平面$BPC$的一个法向量为$\overrightarrow{m}=(a$,$b$,$c)$, 则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{BP}\cdot \overrightarrow{m}=b+c=0}\\ {\overrightarrow{BC}\cdot \overrightarrow{m}=a=0}\end{array}\right.$,取$b=1$,得$\overrightarrow{m}=(0$,1,$-1)$, $\therefore \cos < \overrightarrow{m}$,$\overrightarrow{n} > =\dfrac{\overrightarrow{m}\cdot \overrightarrow{n}}{\vert \overrightarrow{m}\vert \vert \overrightarrow{n}\vert }=\dfrac{1}{\sqrt{2}\times \sqrt{2}}=\dfrac{1}{2}$, 由图可知二面角$A-PC-B$为锐角,设二面角$A-PC-B$的大小为$\theta$, 则$\cos \theta =\vert \cos < \overrightarrow{m}$,$\overrightarrow{n} > \vert =\dfrac{1}{2}$, $\therefore$$\theta =\dfrac{\pi }{3}$, 即二面角$A-PC-B$的大小为$\dfrac{\pi }{3}$. 点评:本题主要考查了线面垂直的判定定理,考查了利用空间向量求二面角的大小,属于中档题.
|