如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD是等腰梯形,AD∥BC,AC⊥BD.(Ⅰ)证明:BD⊥PC;(Ⅱ)若AD=4,BC=2,直线PD与平面PAC所成的角为30°,求四棱锥P-ABCD的体积.

问题描述:

如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥平面ABCD,底面ABCD是等腰梯形,AD∥BC,AC⊥BD.

(Ⅰ)证明:BD⊥PC;
(Ⅱ)若AD=4,BC=2,直线PD与平面PAC所成的角为30°,求四棱锥P-ABCD的体积.

(Ⅰ)∵PA⊥平面ABCD,BD⊂平面ABCD,
∴PA⊥BD;
又AC⊥BD,PA,AC是平面PAC内的两条相交直线,
∴BD⊥平面PAC,而PC⊂平面PAC,∴BD⊥PC;
(Ⅱ)设AC∩BD=O,连接PO,由(Ⅰ)知BD⊥平面PAC,
∴∠DPO是直线PD和平面PAC所成的角,
∴∠DPO=30°,
由BD⊥平面PAC,PO⊂平面PAC知,BD⊥PO.在Rt△POD中,由∠DPO=30°得PD=2OD.
∵四边形ABCD是等腰梯形,AC⊥BD,
∴△AOD,△BOC均为等腰直角三角形,从而梯形ABCD的高为

1
2
AD+
1
2
BC=
1
2
×(4+2)=3,
于是SABCD=
1
2
×(4+2)×3=9.
在等腰三角形AOD中,OD=
2
2
AD=2
2

∴PD=2OD=4
2
,PA=
PD2AD2
=4,
∴VP-ABCD=
1
3
SABCD×PA=
1
3
×9×4=12.
答案解析:(1)由PA⊥平面ABCD,AC⊥BD可证得BD⊥平面PAC,从而证得BD⊥PC;
(2)设AC∩BD=O,连接PO,由BD⊥平面PAC可得∠DPO是直线PD和平面PAC所成的角,于是∠DPO=30°,从而有PD=2OD,于是可证得△AOD,△BOC均为等腰直角三角形,从而可求得梯形ABCD的高,继而可求SABCD,VP-ABCD
考试点:直线与平面垂直的性质;直线与平面所成的角.
知识点:本题考查直线与平面垂直判定定理与性质性质定理,考查直线与平面所成的角的应用与锥体体积,突出对分析、推理与计算能力的考查与应用,属于中档题.