题目内容

【题目】如图,已知四棱锥,底面为菱形, 平面, , 分别是的中点.

(Ⅰ)证明: ;

(Ⅱ)若为上的动点, 与平面所成最大角的正切值为,求二面角的余弦值.

【答案】(1)见解析(2)

【解析】试题分析:(Ⅰ)由条件,可证菱形中, ,再由线面垂直可得线线垂直得出,进一步得出平面,再由线面垂直的性质,可证线线垂直 (Ⅱ)由所给条件,建立以为坐标原点空间直角坐标系,写出空间各点坐标,求出二面角的二面的法向量,由法向量的夹角与二面角之间的关系求出其余弦值.

试题解析:(Ⅰ)证明:由四边形为菱形, ,可得为正三角形.

因为为的中点,所以.

又,因此.

因为平面, 平面,所以.

而平面, 平面且,

所以平面.又平面,所以.

(Ⅱ)解:设, 为上任意一点,连接.

由(Ⅰ)知平面, 为与平面所成的角.

在中, ,所以当最短时, 最大,

即当时, 最大.此时,

因此.又,所以,所以.

方法1:因为平面, 平面,

所以平面平面.过作于,由面面垂直的性质定理,

则平面,过作于,连,则,此时平面,

显然,则为二面角的平面角,

在中,∵,∴, ,

在中,∵,又是的中点,∴,

因此在中, ,又,

在中, ,即所求二面角的余弦值为.

方法2:由(Ⅰ)知两两垂直,以为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,

又分别为的中点,所以, ,所以.

设平面的一法向量为,则 因此

取,则,因为, , ,所以平面,

故为平面的一法向量.又,所以.因为二面角为锐角,所以所求二面角的余弦值为.

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