Question

如图所示，矩形ABCD的边AB=a，BC=2，PA⊥平面ABCD，PA=2，现有数据：
①；②a=1；③；建立适当的空间直角坐标系，
（ I）当BC边上存在点Q，使PQ⊥QD时，a可能取所给数据中的哪些值？请说明理由；
（ II）在满足（ I）的条件下，若a取所给数据的最小值时，这样的点Q有几个？若沿BC方向依次记为Q₁，Q₂，…，试求二面角Q₁-PA-Q₂的大小．

Answer

（ I）建立空间直角坐标系，求出各点的坐标，设出点Q的坐标，进而得到向量PQ，QD的坐标，再结合PQ⊥QD即可求出结论；
（ II） 由（Ⅰ）知，此时或，即满足条件的点Q有两个；再结合PA⊥平面ABCD即可得到∠Q1AQ2就是二面角Q1-PA-Q2的平面角，再代入向量的夹角计算公式即可．
【解析】
（ I）建立如图所示的空间直角坐标系，则各点坐标分别为：
A（0，0，0），B（a，0，0），C（a，2，0），D（0，2，0），P（0，0，2）
设Q（a，x，0）（0≤x≤2），…（2分）
∵，
∴由PQ⊥QD得．
∵x∈[0，2]，a2=x（2-x）∈（0，1]…（4分）
∴在所给数据中，a可取和a=1两个值．…（6分）
（ II）  由（Ⅰ）知，此时或，即满足条件的点Q有两个，…（8分）
根据题意，其坐标为和，…（9分）
∵PA⊥平面ABCD，
∴PA⊥AQ1，PA⊥AQ2，
∴∠Q1AQ2就是二面角Q1-PA-Q2的平面角．…（10分）
由=，
得∠Q1AQ2=30°，
∴二面角Q1-PA-Q2的大小为30°．…（12分）