题目内容

【题目】如图,在四棱锥中,底面是边长为的正方形,侧面

底面,且, 、分别为、的中点.

(1)求证: 平面;

(2)求证:面平面;

(3)在线段上是否存在点,使得二面角的余弦值为?说明理由.

【答案】(1)详见解析;(2)详见解析;(3)线段上存在点,使得二面角的余弦值为.

【解析】试题分析:(Ⅰ)连接AC,则F是AC的中点,E为PC 的中点,证明EF∥PA,留言在线与平面平行的判定定理证明EF∥平面PAD;

(Ⅱ)先证明CD⊥PA,然后证明PA⊥PD.利用直线与平面垂直的判定定理证明PA⊥平面PCD,最后根据面面垂直的判定定理即可得到面PAB⊥面PDC.

(Ⅲ)假设在线段AB上,存在点G,使得二面角C-PD-G的余弦值为,然后以O为原点,直线OA,OF,OP分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系,设G(1,a,0)(0≤a≤2).利用空间向量的坐标运算求出a值,即可得出结论.

试题解析:

(Ⅰ)证明:连结AC,由已知,F为AC的中点, 为中点.∴在中, //

且平面, 平面∴

(Ⅱ)证明:因为平面平面, 平面面

为正方形, , 平面

所以平面.

∴

又,所以是等腰直角三角形, 且,即.

,且、面

面

又面, ∴面面

(Ⅲ)如图,

取的中点,连结, .

∵,∴.

∵侧面底面,

,

∴,

而分别为的中点,

∴,又是正方形,故.

∵,∴, .

以为原点,直线分别为轴建立空间直角坐标系,

则有, , .

若在上存在点使得二面角的余弦值为,连结

设.

由(Ⅱ)知平面的法向量为.

设平面的法向量为.∵,

∴由可得,令,则,

故∴,解得, . 所以在线段上存在点,使得二面角的余弦值为,此时.

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