如图,在四棱锥
P−ABCD 中,
PA⊥ 平面
ABCD,
AB=4,
BC=3,
AD=5,
∠DAB=∠ABC=90∘,
E 是
CD 的中点.
(1) 证明:
CD⊥ 平面
PAE;
(2) 若直线
PB 与平面
PAE 所成的角和
PB 与平面
ABCD 所成的角相等,求四棱锥
P−ABCD 的体积.
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 在底面
ABCD 中,取
A(0,0,0)、
B(4,0,0)、
C(4,3,0)、
D(0,5,0) 为各点坐标.
因为
E 是
CD 的中点,所以
E(2,4,0). 从而
CD=(−4,2,0),
AE=(2,4,0),
且
CD⋅AE=−8+8=0
又因为
PA⊥ 平面
ABCD,所以
CD⊥PA. 直线
PA 与
AE 相交且都在平面
PAE 内,直线
CD 垂直于这两条相交直线,故
CD⊥平面 PAE
\item 设
PA=h,则
P(0,0,h). 梯形
ABCD 的面积为
SABCD=2AD+BC⋅AB=25+3⋅4=16
设直线
PB 与平面
PAE、平面
ABCD 所成的角分别为
α,
β. 平面
PAE 的一个法向量可取
AP×AE=(−4h,2h,0)
而
PB=(4,0,−h),
∣PB∣=h2+16.
因此
sinα=∣PB∣∣AP×AE∣∣PB⋅(AP×AE)∣=5h2+168
直线
PB 与底面所成角满足
sinβ=PBPA=h2+16h
题设
α=β,且两角均为锐角或直角,故正弦相等,得
5h2+168=h2+16h,
h=58.
所以四棱锥体积为
V=31SABCD⋅PA=31⋅16⋅58=151285
\end{enumerate}
\end{solution}