Question

（理）如圖，矩形ABCD，|AB|=1，|BC|=a，PA⊥面ABCD且|PA|=1
（1）BC邊上是否存在點(diǎn)Q，使得FQ⊥QD，并說(shuō)明理由；
（2）若BC邊上存在唯一的點(diǎn)Q使得FQ⊥QD，指出點(diǎn)Q的位置，并求出此時(shí)AD與平面PDQ所成的角的正弦值；
（3）在（2）的條件下，求二面角Q-PD-A的正弦值．

Answer 1

解：（1）若BC邊上存在點(diǎn)Q，使PQ⊥QD，因PA⊥面ABCD知AQ⊥QD．（2分）
矩形ABCD中，當(dāng)a＜2時(shí)，直線(xiàn)BC與以AD為直徑的圓相離，故不存在點(diǎn)Q使AQ⊥QD，（3分）
故僅當(dāng)a≥2時(shí)才存在點(diǎn)Q使PQ⊥QD；（4分）
（2）當(dāng)a=2時(shí)，以AD為直徑的圓與BC相切于Q，此時(shí)Q是唯一的點(diǎn)使∠AQD為直角，且Q為BC的中點(diǎn)．作AH⊥PQ于H，可證∠ADH為AD與平面PDQ所成的角，且在Rt△PAQ中可求得sin∠ADH=（9分）
（3）作AG⊥PD于G，可證∠AGH為二面角Q-PD-A的平面角，且在Rt△PAD中可求得sin∠AGH=（14分）
分析：（1）由PA⊥面ABCD可知AQ⊥QD，要判斷BC邊上是否存在點(diǎn)Q，只需判斷矩形ABCD中直線(xiàn)BC與以AD為直徑的圓的位置關(guān)系
，而當(dāng)a＜2時(shí)，直線(xiàn)BC與以AD為直徑的圓相離，當(dāng)a≥2時(shí)才存在點(diǎn)Q使PQ⊥QD
（2）由（1）的討論可知，當(dāng)a=2時(shí)，以AD為直徑的圓與BC相切于Q，此時(shí)Q是唯一的點(diǎn)使∠AQD為直角，當(dāng)Q為BC的中點(diǎn)．作AH⊥PQ于H，可證∠ADH為AD與平面PDQ所成的角，且在Rt△PAQ中可求sin∠ADH
（3）作AG⊥PD于G，可證∠AGH為二面角Q-PD-A的平面角，且在Rt△PAD中可求sin∠AGH
點(diǎn)評(píng)：本題主要考查了直線(xiàn)與平面垂直的與線(xiàn)線(xiàn)垂直的相互轉(zhuǎn)化，直線(xiàn)與平面所成的角的求解，其關(guān)鍵是根據(jù)條件找的與已知平面垂直的直線(xiàn)，從而先找到線(xiàn)面角，進(jìn)而在直角三角形中求解角．