如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为直角梯形,AD//BC,∠BAD-90°,PA=AB=AD=2BC=2,PA⊥底面ABCD,N、M分别为边PB和PC的中点, 1)求证PB⊥平面ADMN; (2)求BD与平面ADMN所成的角; (3)求四边形ADMN的面积
首先,连接$AD, BD, CD$,如下图:
因为底面$ABCD$是直角梯形,所以$AD\perp AB$,$AD\parallel BC$,所以$AD\perp BC$,即$AD$是底面$ABCD$的高。又因为$PA\perp AB$,所以$PA\perp AD$,即$PA$也是底面$ABCD$的高。因此,$PA\parallel AD$,且$PA=AD$,所以$P$是底面$ABCD$的中心点。
接着,连接$PM, PN$,如下图:
因为$M, N$分别是$PB, PC$的中点,所以$PM\parallel AB$,$PN\parallel CD$,且$PM=\frac{1}{2}PB$,$PN=\frac{1}{2}PC$。
(1)要证明$PB\perp$平面$ADMN$,只需证明$PB$垂直于平面$ADN$和$ABM$即可。
由于$PB\parallel CD$,所以$PB\perp AD$,即$PB$垂直于平面$ADN$。
又因为$PB\parallel AB$,所以$PB\perp MN$。又因为$MN\parallel AD$,所以$PB$垂直于平面$ABM$。因此,$PB\perp$平面$ADMN$。
(2)要求$BD$与平面$ADMN$所成的角,可以通过求$BD$与平面$ABCD$的夹角,再利用垂线的性质求得$BD$与平面$ADMN$的夹角。
由于$ABCD$是直角梯形,所以$BD$垂直于底面$ABCD$,即$BD$与平面$ABCD$的夹角为$90^\circ$。
又因为$PB\perp$平面$ADMN$,所以$PB$在平面$ADMN$上的投影$PQ$是垂线。因此,$BD$与平面$ADMN$的夹角等于$BD$与$PQ$的夹角。又因为$PB\parallel BD$,所以$BD$与$PQ$平行,即$BD$与平面$ADMN$的夹角为$0^\circ$。
(3)要求四边形$ADMN$的面积,可以分成三个部分:$\triangle APM$、$\triangle DPN$和梯形$MNDC$。
由于底面$ABCD$是直角梯形,所以底边长为$AD+BC=3$,上底边长为$AB=2$,高为$PA=AD=1$。因此,底面$ABCD$的面积为$\frac{1}{2}(2+3)\times 1=2.5$。
对于$\triangle APM$和$\triangle DPN$,它们的底边长均为$PN=\frac{1}{2}PC=\frac{1}{2}\sqrt{5}$,高均为$PA=1$。因此,$\triangle APM$和$\triangle DPN$的面积均为$\frac{1}{2}\times \frac{1}{2}\sqrt{5}=0.5\sqrt{5}$。
对于梯形$MNDC$,它的上底边长为$MN=\frac{1}{2}PB=\frac{1}{2}\sqrt{5}$,下底边长为$DC=BC=1$,高为$PA=1$。因此,梯形$MNDC$的面积为$\frac{1}{2}\times (\frac{1}{2}\sqrt{5}+1)\times 1=\frac{1}{4}\sqrt{5}+\frac{1}{2}$。
因此,四边形$ADMN$的面积为$\triangle APM+\triangle DPN+$梯形$MNDC=0.5\sqrt{5}+0.5\sqrt{5}+\frac{1}{4}\sqrt{5}+\frac{1}{2}=\frac{5\sqrt{5}+6}{4}$。
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