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14. 如图,已知在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD是边长为2的棱形,∠ABC=60°,侧面SAD为正三角形,侧面SAD⊥底面ABCD,E为线段AD的中点. (Ⅰ)求证:SE⊥底面ABCD; (Ⅱ)求证:二面角A-SB-C为直二面角; (Ⅲ)在侧棱SB上是否存在一点M,使得BD⊥平面MAC?如果存在,求$\frac{BM}{BS}$的值;如果不存在,说明理由.

14.  如图,已知在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD是边长为2的棱形,∠ABC=60°,侧面SAD为正三角形,侧面SAD⊥底面ABCD,E为线段AD的中点.  (Ⅰ)求证:SE⊥底面ABCD;  (Ⅱ)求证:二面角A-SB-C为直二面角;  (Ⅲ)在侧棱SB上是否存在一点M,使得BD⊥平面MAC?如果存在,求$\frac{BM}{BS}$的值;如果不存在,说明理由.

分析 (Ⅰ)推导出SE⊥AD,由此能证明SE⊥底面ABCD.

(Ⅱ)取OB、OC依次为x轴,y轴,取过O点垂直于平面ABCD的直线为z轴,建立空间直角坐标系,利用向量法能证明二面角A-SB-C为直二面角.

(Ⅲ)假设存在满足题设的点M,设M(x,y,z),$\frac{BM}{BS}=λ$,利用向量法能求出在棱SB上存在一点M,使得BD⊥平面MAC,$\frac{BM}{BS}=\frac{2}{3}$.

解答 证明:(Ⅰ)∵SAD为正三角形,E为线段AD的中点,

∴SE⊥AD,

又侧面SAD⊥底面ABCD,且侧面SAD∩底面ABCD=AD,

∴SE⊥底面ABCD.

(Ⅱ)如图,取OB、OC依次为x轴,y轴,取过O点垂直于平面ABCD的直线为z轴,建立空间直角坐标系,

则A(0,-1,0),B($\sqrt{3}$,0,0),C(0,1,0),S(-$\frac{\sqrt{3}}{2}$,-$\frac{1}{2}$,$\sqrt{3}$),

$\overrightarrow{BS}$=(-$\frac{3\sqrt{3}}{2}$,-$\frac{1}{2}$,$\sqrt{3}$),$\overrightarrow{BA}$=(-$\sqrt{3}$,-1,0),$\overrightarrow{BC}$=(-$\sqrt{3},1,0$),

设平面SBA的法量为$\overrightarrow{m}$=(x,y,z),平面SBC的法向量为$\overrightarrow{n}$=(a,b,c),

则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{BS}=-\frac{3\sqrt{3}}{2}x-\frac{1}{2}y+\sqrt{3}z=0}\\{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{BA}=-\sqrt{3}x-y=0}\end{array}\right.$,取x=1,得$\overrightarrow{m}$=(1,-$\sqrt{3},1$),

$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{BS}=-\frac{3\sqrt{3}}{2}a-\frac{1}{2}b+\sqrt{3}c=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{BC}=-\sqrt{3}a+b=0}\end{array}\right.$,取a=1,得$\overrightarrow{n}$=(1,$\sqrt{3},2$),

∵$\overrightarrow{m}•\overrightarrow{n}$=1-3+2=0,

∴二面角A-SB-C为直二面角.

解:(Ⅲ)假设存在满足题设的点M,设M(x,y,z),$\frac{BM}{BS}=λ$,

则$\overrightarrow{BM}=λ\overrightarrow{BS}$,即(x-$\sqrt{3}$,y,z)=λ(-$\frac{3\sqrt{3}}{2}$,-$\frac{1}{2}$,$\sqrt{3}$),

解得M(-$\frac{3\sqrt{3}}{2}$λ+$\sqrt{3}$,-$\frac{1}{2}λ$,$\sqrt{3}λ$),∴$\overrightarrow{OM}$=(-$\frac{3\sqrt{3}}{2}$λ+$\sqrt{3}$,-$\frac{1}{2}λ$,$\sqrt{3}λ$),

向量$\overrightarrow{BD}$的方向向量为$\overrightarrow{i}$=(1,0,0),$\overrightarrow{i}•\overrightarrow{OM}$=-$\frac{3\sqrt{3}}{2}λ+\sqrt{3}$=0,

解得$λ=\frac{2}{3}$,

当$λ=\frac{2}{3}$时,OM⊥BD,又BD⊥AC,∴BD⊥平面MAC,

∴在棱SB上存在一点M,使得BD⊥平面MAC,$\frac{BM}{BS}=\frac{2}{3}$.

点评 本题考查线面垂直的证明,考查二面角为直二面角的证明,考查是否存在满足线面垂直的点的判断与求法,是中档题,解题时要认真审题,注意向量法的合理运用.

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