20.(15分)(2013•浙江)如图,在四棱锥 $\mathrm{P}-\mathrm{ABCD}$ 中, $\mathrm{PA} \perp$ 面 $\mathrm{ABCD}, \mathrm{AB}=\mathrm{BC}=2, \mathrm{AD}=\mathrm{CD}=\sqrt{7}, \mathrm{PA}=\sqrt{3}$ , $\angle \mathrm{ABC}=120^{\circ}, \mathrm{G}$ 为线段 PC 上的点.
(I)证明: $\mathrm{BD} \perp$ 面 PAC ;
(II)若 G 是 PC 的中点,求 DG 与 PAC 所成的角的正切值;
(III)若 G 满足 $\mathrm{PC} \perp$ 面 BGD ,求 $\frac{\mathrm{PG}}{\mathrm{GC}}$ 的值。
考点:直线与平面垂直的判定;直线与平面所成的角;点、线、面间的距离计算.
专题:空间位置关系与距离;空间角。
分析:( I )由 $\mathrm{PA} \perp$ 面 ABCD ,可得 $\mathrm{PA} \perp \mathrm{BD}$ ;设 AC 与 BD 的交点为 O ,则由条件可得 BD 是 AC 的中垂线,故 O 为 AC 的中点,且 $\mathrm{BD} \perp \mathrm{AC}$ .再利用直线和平面垂直的判定定理证得 $\mathrm{BD} \perp$ 面 PAC .
(II)由三角形的中位线性质以及条件证明 $\angle \mathrm{DGO}$ 为 DG 与平面 PAC 所成的角,求出 GO 和 AC 的值,可得 $O C , O D$ 的值,再利用直角三角形中的边角关系求得 $\tan \angle D G O$ 的值。
(III)先证 $\mathrm{PC} \mathrm{\perp OG}$ ,且 $\mathrm{PC}=\sqrt{\mathrm{PA}^{2}+\mathrm{AC}^{2}}=\sqrt{15}$ .由 $\triangle \mathrm{COG} \sim \triangle \mathrm{PCA}$ ,可得 $\frac{\mathrm{GC}}{\mathrm{AC}}=\frac{\mathrm{OC}}{\mathrm{PC}}$ ,解得 GC 的值,可得 $P G=P C-G C$ 的值,从而求得 $\frac{P G}{G C}$ 的值。