题目内容

如图,四棱锥中,侧面是边长为2的正三角形,且与底面垂直,底面是的菱形,为的中点.

(Ⅰ)求与底面所成角的大小;

(Ⅱ)求证:平面;

(Ⅲ)求二面角的余弦值.

解析:求线面角关键是作垂线,找射影,求异面直线所成的角采用平

移法  求二面角的大小也可应用面积射影法,比较好的方法是向量法 

答案:(I)取DC的中点O,由ΔPDC是正三角形,有PO⊥DC.

又∵平面PDC⊥底面ABCD,∴PO⊥平面ABCD于O.

连结OA,则OA是PA在底面上的射影.∴∠PAO就是PA与底面所成角.

∵∠ADC=60°,由已知ΔPCD和ΔACD是全等的正三角形,从而求得OA=OP=.

∴∠PAO=45°.∴PA与底面ABCD可成角的大小为45°.               ……6分

(II)由底面ABCD为菱形且∠ADC=60°,DC=2,DO=1,有OA⊥DC.

建立空间直角坐标系如图,则, .

由M为PB中点,∴.

∴.

∴,

.

∴PA⊥DM,PA⊥DC.   ∴PA⊥平面DMC.                                             ……4分

(III).令平面BMC的法向量,

则,从而x+z=0;  ……①,  ,从而. ……②

由①、②,取x=−1,则.   ∴可取.

由(II)知平面CDM的法向量可取,

∴. ∴所求二面角的余弦值为-.    ……6分

法二:(Ⅰ)方法同上                               

(Ⅱ)取的中点,连接,由(Ⅰ)知,在菱形中,由于,

则,又,则,即,

又在中,中位线,,则,

则四边形为,所以,在中,,

则,故而,

则

(Ⅲ)由(Ⅱ)知,则为二面角的平面角,

在中,易得,,

故,所求二面角的余弦值为

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