Question

（2012•四川）如圖，在三棱錐P-ABC中，∠APB=90°，∠PAB=60°，AB=BC=CA，平面PAB⊥平面ABC．
（Ⅰ）求直線PC與平面ABC所成角的大小；
（Ⅱ）求二面角B-AP-C的大小．

Answer 1

分析：解法一（Ⅰ）設AB中點為D，AD中點為O，連接OC，OP，CD．可以證出∠OCP為直線PC與平面ABC所成的角．不妨設PA=2，則OD=1，OP=

3

，AB=4．在RT△OCP中求解．
（Ⅱ）以O為原點，建立空間直角坐標系，利用平面APC的一個法向量與面ABP的一個法向量求解．
解法二（Ⅰ）設AB中點為D，連接CD．以O為坐標原點，OB，OE，OP所在直線分別為x，y，z軸建立空間直角坐標系O-xyz．利用

CP

與平面ABC的一個法向量夾角求解．
（Ⅱ）分別求出平面APC，平面ABP的一個法向量，利用兩法向量夾角求解．

解答：解法一
（Ⅰ）設AB中點為D，AD中點為O，連接OC，OP，CD．
因為AB=BC=CA，所以CD⊥AB，
因為∠APB=90°，∠PAB=60°，所以△PAD為等邊三角形，所以PO⊥AD，又平面PAB⊥平面ABC，平面PAB∩平面ABC=AD．
PO⊥平面ABC，∠OCP為直線PC與平面ABC所成的角
不妨設PA=2，則OD=1，OP=

3

，AB=4．
所以CD=2

3

，OC=

OD2+CD2

=

1+12

=

13

在RT△OCP中，tan∠OCP=

OP

OC

=

3

13

=

39

13

．
故直線PC與平面ABC所成的角的大小為arctan

39

13

．
（Ⅱ）過D作DE⊥AP于E，連接CE．
由已知，可得CD⊥平面PAB．根據三垂線定理知，CE⊥PA．所以∠CED為二面角
B-AP-C的平面角．由（Ⅰ）知，DE=

3

，在RT△CDE中，tan∠CED=

CD

DE

=

2 3

3

=2，故二面角B-AP-C的大小為arctan2．
解法二：（Ⅰ）設AB中點為D，連接CD．因為O在AB上，且O為P在平面ABC內的射影，
所以PO⊥平面ABC，所以PO⊥AB，且PO⊥CD．因為AB=BC=CA，所以CD⊥AB，設E為AC中點，則EO∥CD，從而OE⊥PO，OE⊥AB．
如圖，以O為坐標原點，OB，OE，OP所在直線分別為x，y，z軸建立空間直角坐標系O-xyz．不妨設PA=2，由已知可得，AB=4，OA=OD=1，OP=

3

，
CD=2

3

，所以O（0，0，0），A（-1，0，0），C（1，2

3

，0），P（0，0，

3

），所以

CP

=（-1，-2

3

，

3

）

OP

=（0，0，

3

）為平面ABC的一個法向量．
設α為直線PC與平面ABC所成的角，則sinα=|

CP • OP

| CP |• |OP |

|=

0+0+3

16 • 3

=

3

4

．故直線PC與平面ABC所成的角大小為arcsin

3

4

（Ⅱ）由（Ⅰ）知，

AP

=（1，0，

3

），

AC

=（2，2

3

，0）．
設平面APC的一個法向量為

n

=（x，y，z），則由

n ⊥ AP n ⊥ AC

得出

n • AP =0 n • AC =0

即

x+ 3 z=0 2x+2 3 y=0

，
取x=-

3

，則y=1，z=1，所以

n

=（-

3

，1，1）．設二面角B-AP-C的平面角為β，易知β為銳角．
而面ABP的一個法向量為

m

=（0，1，0），則cosβ=|

n • m

| n |• | m |

|=|

1

3+1+1

|=

5

5

．
故二面角B-AP-C的大小為arccos

5

5

．

點評：本題考查線面關系，直線與平面所成的角、二面角等基礎知識，考查思維能力、空間想象能力，并考查應用向量知識解決數學問題能力．