四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是正方形，边长为a，PD=a，PA=PC=2a，（1）求证：PD⊥平面ABCD；（2）求证，直线PB与AC垂直；（3）求二面角

题型：不详难度：来源：

四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是正方形，边长为a，PD=a，PA=PC=

2

a，
（1）求证：PD⊥平面ABCD；
（2）求证，直线PB与AC垂直；
（3）求二面角A-PB-D的大小；
（4）在这个四棱锥中放入一个球，求球的最大半径；
（5）求四棱锥外接球的半径．

答案

（1）证明：∵PD=a，AD=a，PA=

2

a，
∴PD²+DA²=PA²，同理∴∠PDA=90°．
即PD⊥DA，PD⊥DC，∵AO∩DC=D，∴PD⊥平面ABCD．
（2）连接BD，∵ABCD是正方形
∴BD⊥AC
∵PD⊥平面ABCD
∴PD⊥AC
∵PD∩BD=D
∴AC⊥平面PDB∵PBÌ平面PDB
∴AC⊥PB∴PB与AC所成的角为90°
（3）设AC∩BD=0，过A作AE⊥PB于E，连接OE
∵AO⊥平面PBD∴OE⊥PB
∴∠AEO为二面角A-PB-D的平面角
∵PD⊥平面ABCD，AD⊥AB
∴PA⊥AB在Rt△PDB中，PB=

PD2+BD2

=

3

a，
在Rt△PAB中，
∵S=

1

2

PA•AB=

1

2

•PB•AE
∴AE=

PA•AB

PB

=

2 a•a

3 a

=

2

3

a，AO=

1

2

AC=

2

2

a
在Rt△AOE中，sin∠AEO=

AO

AE

=

3

2

，∴∠AEO=60°∴二面角A-PB-D的大小为60．
（4）设此球半径为R，最大的球应与四棱锥各个面都相切，
设球心为S，连SA、SB、SC、SD、SP，则把此四棱锥分为五个棱锥，设它们的高均为RVP-ABCD=

1

3

•S♢ABCD•PD=

1

3

•a•a•a=

1

3

a3S△PAD=S△PDC=

1

2

•a•a=

1

2

a2
S△PAB=S△PBC=

1

2

•a•

2

a=

2

2

a2
S_♢ABCD=a²
∵V_P-ABCD=V_S-PDA+V_S-PDC+V_S-ABCD+V_S-PAB+V_S-PBC

1

3

a3=

1

3

R(S△PAD+S△PDC+S△PAB+S△PBC+S♢ABCD)

1

3

a3=

1

3

R(

1

2

a2+

1

2

a2+

2

2

a2+

2

2

a2+a2)
∴

R

3

(2+

2

)a2=

1

3

a3∴R=

a

2+ 2

=

2- 2

2

a=(1-

2

2

)a
∴球的最大半径为（1-

2

2

a）
（5）设PB的中点为F，∵在Rt△PDB中：FP=FB=FD
在Rt△PAB中：FA=FP=FB，在Rt△PBC中：FP=FB=FC
∴FP=FB=FA=FC=FD∴F为四棱锥外接球的球心
则FP为外接球的半径∵FP=

1

2

PB∴FP=

3

2

a
∴四棱锥外接球的半径为

3

2

a