Question

已知四棱锥P—ABCD及其三视图如下图所示，E是侧棱PC上的动点。

（1）求四棱锥P—ABCD的体积；

（2）不论点E在何位置，是否都有BDAE？试证明你的结论；

（3）若点E为PC的中点，求二面角D—AE—B的大小。

Answer

（1）2 /3    （2）略（3）120°

【解析】本试题主要考查了立体几何中的线面的垂直，以及二面角的求解的综合运用。

【解析】
（I）由三视图知PC⊥面ABCD，ABCD为正方形，且PC=2，AB=BC=1（2分）

∴VP-ABCD=1 /3 •SABCD×PC=1 /3 •12•2=2 /3   （1分）

（II）∵PC⊥面ABCD，BD⊂面ABCD∴PC⊥BD …（1分）而BD⊥AC，AC∩AE=A，

∴BD⊥面ACE，…（1分）而AE⊂面ACE∴BD⊥AE  （1分）

（III）法一：连接AC，交BD于O．由对称性，二面角D-AE-B是二面角O-AE-B的2倍，设θ为二面角O-AE-B的平面角．注意到B在面ACE上的射影为O

S△AOE=1/ 2  S△ACE=1 /2 ×1/ 2 × = / 4 ．

S△ABE=1 /2 AB•BE=  =  / 2 ，（2分）∴cosθ=S△AOE /S△ABE =1 /2

∴θ=60°∴二面角D-AE-B是120°（2分）

法二：以C为坐标原点，CD所在直线为x轴建立空间直角坐标系

则D（1，0，0），A（1，1，0），B（0，1，0），E（0，0，1），

从而 DE =（-1，0，1）， DA =（0，1，0），

 BA =（1，0，0）， BE =（0，-1，1）（2分）

设平面ADE和平面ABE的法向量分别为

 n1 =（x1，y1，z1）， n2 =（x2，y2，z2）则-x1+z1=0，y1=0

x2=0，-y2+z2=0令z1=1，z2=-1，则 n1 =（ （1，0，1）， n2 =（0，-1，-1）（2分）

设二面角D-AE-B的平面角为θ，则|cosθ|=| n1 •  n2  | /| n1 | ×| n2|  =  1 /2 ．

二面角D-AE-B为钝二面角．∴二面角D-AE-B的大小为2π/ 3 ．