题目内容
如图5所示,在三棱锥
中,
,平面
平面
,
于点
,
,
,
.
(1)证明△
为直角三角形;
(2)求直线
与平面
所成角的正弦值.
(本小题主要考查空间线面关系、直线与平面所成角、空间向量及坐标运算等知识,考查数形结合、化归与转化的数学思想方法,以及空间想象能力、推理论证能力和运算求解能力)
(1)证明1:因为平面
平面
,平面
平面
,
平面
,
,
所以
平面
.…………………………………………………………………………………1分
记
边上的中点为
,在△
中,
,所以
.
因为
,
,所以
.………………3分
因为![]()
,所以△
为直角三角形.
因为
,
,
所以
.………4分
连接
,在
△
中,因为
,
,
所以
.…………5分
因为
平面
,
平面
,所以![]()
.
在
△
中,因为
,
,
所以
.………………………………6分
在
中,因为
,
,
,
所以
.
所以
为直角三角形.……………………………………………………7分
证明2:因为平面
平面
,平面
平面
,
平面
,
,
所以
平面
.……………………………………………………1分
记
边上的中点为
,在△
中,因为
,所以
.
因为
,
,所以
.………………3分
连接
,在
△
中,因为
,
,
,
所以
.………………………………4分
在△
中,因为
,
,
,
所以
,所以
.………………………………………5分
因为
平面
,
平面
,
所以
.…………………………………………………………6分
因为
,所以
平面
.
因为
平面
,所以
.
所以
为直角三角形.……………………………………………………7分
(2)解法1:过点
作平面
的垂线,垂足为
,连
,
则
为直线
与平面
所成的角.…………………………………8分
由(1)知,△
的面积
.…………………9分
因为
,所以![]()
.…………………………10分
由(1)知
为直角三角形,
,
,
所以△
的面积
.…………………11分
因为三棱锥
与三棱锥
的体积相等,即
,
即
,所以
.……………………………………12分
在
△
中,因为
,
,
所以
.………………………………13分
因为
.
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.…………………………………………………14分
解法2:过点
作
,设
,
则
与平面
所成的角等于
与平面
所成的角.……………………………………8分
由(1)知
,
,且
,
所以
平面
.
因为
平面
,
所以平面
平面
.
过点
作
于点
,连接
,
则
平面
.
所以
为直线
与平面
所成的角.……10分
在
△
中,因为
,
,
所以
.……………………………………11分因为
,所以
,即
,所以
.………………………………12分
由(1)知
,
,且
,
所以
.……………………………………13分
因为
,
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.…………………………………………………14分
解法3:延长
至点
,使得
,连接
、
,……………………………………8分
在△
中,
,
所以
,即
.
在△
中,因为
,
,
,
所以
,
所以
.
因为
,
所以
平面
.…………………………………………………………………………………9分
过点
作
于点
,
因为
平面
,
所以
.
因为
,
所以
平面
.
所以
为直线
与平面
所成的角.……………………………………………………11分
由(1)知,
,
所以
.
在△
中,点
、
分别为边
、
的中点,
所以
.………………………………………………………12分
在△
中,
,
,
,
所以
,即
.……………………………………………………………13分
因为
.
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.…………………………………………………14分
解法4:以点
为坐标原点,以
,
所在的直线分别为
轴,
轴建立如图的空间直角坐标系
,……………………………………………………………………8分
则
,
,
,
.
于是
,
,
.
设平面
的法向量为
,
则![]()
即![]()
取
,则
,
.
所以平面
的一个法向量为
.………………………………12分
设直线
与平面
所成的角为
,
则
.
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.………………………………14分
若第(1)、(2)问都用向量法求解,给分如下:
(1)以点
为坐标原点,以
,
所在的直线分别为
轴,
轴建立如图的空间直角坐标系
,……………………………………………………………………………1分
则
,
,
.
于是
,
.
因为
,
所以
.
所以
.
所以
为直角三角形.…………………………………………………………7分
(2)由(1)可得,
.
于是
,
,
.
设平面
的法向量为
,
则
即![]()
取
,则
,
.
所以平面
的一个法向量为
.…………………………………12分
设直线
与平面
所成的角为
,
则
.
所以直线
与平面
所成角的正弦值为
.……………………………14分