题目内容
【题目】如图,三棱柱
中,侧面
为菱形且
,
,
分别为
和
的中点,
,
,
.
![]()
(Ⅰ)证明:直线
∥平面
;
(Ⅱ)求二面角
的余弦值.
【答案】(I)见解析;(II)
.
【解析】试题分析:(I)取
中点
,可证
,
,
两两互相垂直,建立以
为原点,
分别为
轴,建立空间直角坐标系,得出各点坐标,可求
与平面
的法向量,利用两向量垂直可证结论;(II)先求出二面角两半平面的法向量,利用法向量夹角与二面角平面角间关系可得结果.
试题解析:解法一:∵
,且
为中点,
,∴
,
又
,
,∴
,
,
又
,∴
平面
,
取
中点
,则
,即
,
,
两两互相垂直,
以
为原点,
分别为
轴,建立空间直角坐标系如图(4), ∴
,
,
,
,
,
,
![]()
(I)
,设平面
的法向量为
,
则
,取
,
∵
,∴
,
又
平面
, ∴直线
∥平面
.
(II) 设平面
的法向量为
,
,
则
,取
,
又由(Ⅰ)知平面
的法向量为
,设二面角
为
,
∴
,
∵ 二面角
为锐角,∴ 二面角
的余弦值为
.
解法二:取
中点
,则
,即
,以
为原点,
,
分别为
轴,
建立空间直角坐标系如图(5),设点
,
![]()
又
,
,
∴
,即
,∴
,
由
,
,
可得:
,解得
,
∴
,
,
,
下同解法二.
解法三:(Ⅰ)如图(6),取
中点
,连接
,则有
,
∴
为平行四边形, ∴
∥
,
![]()
又
平面
,
平面
,∴ 直线
∥平面
.
(Ⅱ)由各棱长,易得
,∴
平面
,
取
中点
,连接
,过
作
于
,连接
,
如图(8),可证:
平面
,
![]()
证明
平面
,可得
,
故
为所求的二面角的平面角,
在
中,求得:
,故所求的二面角的余弦值为
.
解法四:
(Ⅰ)如图(7),取
中点
,由
∥
,
![]()
平面
,∴ 直线
∥平面
,
由
∥
,
平面
,
∴ 直线
∥平面
,
又
,∴平面
∥平面
,
又
平面
, ∴ 直线
∥平面
.
(Ⅱ)同解法一.
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