如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是边长为2的正方形，PB⊥BC，PD⊥CD，且PA=2，E点满足PE=13PD．（1）证明：PA⊥平面ABCD；（2）

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如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是边长为2的正方形，PB⊥BC，PD⊥CD，且PA=2，E点满足

PE

=

1

3

PD

．
（1）证明：PA⊥平面ABCD；
（2）求二面角E-AC-D的余弦值．
（3）在线段BC上是否存在点F，使得PF∥平面EAC？若存在，确定点F的位置，若不存在请说明理由．

答案

证明：（1）

AB⊥BC PB⊥BC

⇒BC⊥平面PAB⇒BC⊥PA，
同理CD⊥PA，又CD∩BC=C，所以PA⊥平面ABCD；

（2）在AD上取一点O，使AO=

1

3

AD，连接EO，则EO∥PA，
所以EO⊥平面ABCD．
过点O作OH⊥AC交AC于点H，连接EH，则EH⊥AC
所以∠EHO为二面角E-AC-D的平面角．
在△PAD中，EO=

2

3

AP=

4

3

；在Rt△AHO中，∠HAO=45°，
所以HO=AOsin45°=

2

3

tan∠EHO=2

2

cos∠EHO=

1

3

所以所求二面角E-AC-D的余弦值为

1

3

；

（3）当F为BC中点时，PF∥平面EAC，理由如下：设AC，FD交于点S
因为AD∥FC所以

FS

SD

=

FC

AD

=

1

2

又因为

PE

ED

=

1

2

所以PF∥ES
因为PF⊂平面EAC，ES⊂平面EAC，所以PF∥平面EAC．