Question

3．如圖：已知四棱錐P-ABCD，底面是邊長(zhǎng)為6的正方形ABCD，PA=8，PA⊥面ABCD，點(diǎn)M是CD的中點(diǎn)，點(diǎn)N是PB的中點(diǎn)，連接AM、AN、MN．
（1）求證：AB⊥MN
（2）求異面直線AM與PB所成角的大�。�

Answer 1

分析 （1）由題意，證明線線垂直，利用“三垂線定理或三垂線定理的逆定理”即可解決．
（2）異面直線所成角，首先要構(gòu)造出這兩條異面直線的平行線相交的角，即為異面直線所成角．由題意，分別取AB，PA中點(diǎn)E，F(xiàn)，連接CE，EF，CF，所以異面直線AM與PB所成角的大小即相交直線CF與EF所成角的大�。�

解答 解：（1）分別取AB，PA中點(diǎn)E，F(xiàn)，連接CE，EF，CF，NE，ME．
∵E是AB中點(diǎn)，點(diǎn)N是PB的中點(diǎn)，
∴$E{N}_{=}^{∥}\frac{1}{2}AP$
∵PA⊥面ABCD，
∴NE⊥面ABCD，NE⊥AB．
又∵M(jìn)N∥BC，∴MN⊥AB．
所以：AB⊥MN，
得證．

（2）∵E是AB中點(diǎn)，F(xiàn)是PA中點(diǎn)E，N是PB的中點(diǎn)，點(diǎn)M是CD的中點(diǎn)
∴AM${\;}_{=}^{∥}$CE，F(xiàn)E${\;}_{=}^{∥}\frac{1}{2}PB$．
所以：異面直線AM與PB所成角的大小即相交直線CF與EF所成角的大小
在△CEF中：EC=MA=$\sqrt{A{D}^{2}+D{M}^{2}}$=$3\sqrt{5}$，F(xiàn)E=$\frac{1}{2}PB=5$，F(xiàn)C=$\sqrt{A{F}^{2}+A{C}^{2}}=2\sqrt{22}$．
利用余弦定理：
cos∠FEC=$\frac{F{E}^{2}+E{C}^{2}-F{C}^{2}}{2EF•EC}=\frac{25+45-88}{2×3\sqrt{5}×5}=-\frac{3\sqrt{5}}{25}$
∵cos∠FEC＜0，
∴∠FEC是鈍角．
所以異面直線AM與PB所成角的大小為π-$arccos\frac{{3\sqrt{5}}}{25}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了“三垂線定理或三垂線定理的逆定理”證明線線垂直問題．考查了異面直線所成角問題．還利用了余弦定理求角度，注意異面直線所成角范圍是（0，π]，這是易錯(cuò)點(diǎn)．屬于中檔題．