题目内容
【题目】如图,是边长为2的正方形,平面平面,且,是线段的中点,过作直线,是直线上一动点.
(1)求证:;
(2)若直线上存在唯一一点使得直线与平面垂直,求此时二面角的余弦值.
【答案】(1)见解析;(2)
【解析】
(1)先证EO⊥面ABCD,进而可得BC⊥面EOF,从而可证OF⊥BC;
(2)由(1)可得平面,得到、、两两垂直,可建立空间直角坐标系,由条件得到,转化为向量,从而,转化为关于的方程有唯一实数解,得到,,又判断∠BFC为二面角B﹣OF﹣C的平面角,利用向量夹角公式可求二面角B﹣OF﹣C的余弦值.
(1)因为,是中点,故,
又因为平面平面,平面平面,
故平面,所以;
因为,,所以,
故平面,
所以.
(2)设的中点为,则有,由(1),平面,
所以、、两两垂直.可如图建立空间直角坐标系.
依题意设点的坐标为,点的坐标为,又,,
所以,,
由(1)知,故与平面垂直,等价于,
故,从而,即,
直线上存在唯一一点使得直线与平面垂直,即关于的方程有唯一实数解.
所以,解得,此时.
故点的坐标为,点的坐标为.
因为平面,所以且,
所以即二面角的平面角.
因为,,
所以,
即若直线上存在唯一一点使得直线与平面垂直时,
所以二面角的余弦值为.
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