题目内容

已知梯形中,∥,,

,、分别是、上的点,∥,,是的中点.沿将梯形翻折,使平面⊥平面 (如图) .

           

(Ⅰ) 当时,求证:⊥ ;

(Ⅱ) 若以、、、为顶点的三棱锥的体积记为 ,求的最大值;

(Ⅲ)当取得最大值时,求二面角的余弦值.

解:(Ⅰ)(法一)作于,连, 

由平面平面知  平面

而平面,故又四边形为正方形           

 ∴  

又,故平面而平面   

∴  .      (或者直接利用三垂线定理得出结果)

(法二)∵  平面平面      

 ∴ ⊥面平面

∴ ⊥, ⊥,又⊥

故可如图建立空间坐标系.

则,,  

∴ 

∴   .  

(Ⅱ) ∵ ,面面  

∴ 面

又由(Ⅰ)平面   ∴          

所以 =

 

     

即时有最大值为.

(Ⅲ)(法一)作于,作,连

由三垂线定理知

∴  是二面角的平面角的补角   

由∽,知

而,

∴  又

∴ 在中,

因为∠是锐角   ∴∠=  

而∠是二面角的平面角的补角

故二面角的余弦值为-.

(法二)设平面的法向量为

∵  ,,, 

∴   

则     即

取   则    ∴    

面的一个法向量为

则<> 

由于所求二面角的平面角为钝角,

所以,此二面角的余弦值为-.

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