题目内容

【题目】如图,在四棱锥中,底面是平行四边形, 平面,点, 分别为, 的中点,且, .

(1)证明: 平面;

(2)设直线与平面所成角为,当在内变化时,求二面角的取值范围.

【答案】(1) 见解析;(2) .

【解析】试题分析:(Ⅰ)根据直线与平面平行的判定定理,需在平面内找一条与平行的直线.结合题设可取取中点,连接, 易得四边形为平行四边形,从而得,问题得证.

(Ⅱ)思路一、首先作出二面角的平面角,即过棱BC上一点分别在两个平面内作棱BC的垂线.因为,点分别为的中点,则.连接,因为平面,所以AM是PM在面ABC内的射影,所以,所以即为二面角的平面角.再作出直线与平面所成的角,即作出AC在平面PBC内的射影.由, 且得平面,从而平面平面.过点在平面内作于,根据面面垂直的性质知平面.连接,于是就是直线与平面所成的角.在及中,找出与的关系,即可根据的范围求出的范围. 思路二、以所在的直线分别为轴、轴、轴,建立空间直角坐标系,利用空间向量亦可求解.

试题解析:(Ⅰ)证明:取中点,连接,

因为点分别为的中点,所以

四边形为平行四边形,则又平面, 平面

所以平面.

(Ⅱ)解法1:连接,因为,点分别为的中点,则

又平面,则所以即为二面角的平面角

又,所以平面,则平面平面

过点在平面内作于,则平面.

连接,于是就是直线与平面所成的角,即= .

在中, ;

在中, , .

,

, .

又, .

即二面角取值范围为.

解法2:连接,因为,点分别为的中点,则

又平面,则所以即为二面角的平面角,设为

以所在的直线分别为轴、轴、轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则,

于是, , , .

设平面的一个法向量为,

则由.

得

可取,又,

于是,

,

, .

又, .

即二面角取值范围为.

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