(本题满分12分)
如图,,,过动点作,垂足在线段上且异于点,连接,沿将折起,使(如下图所示)
(1)当的长为多少时,三棱锥的体积最大;
(2)当三棱锥的体积最大时,设点,分别为棱,的中点,试在棱上确定一点,使得,并求与平面所成角的大小。
(Ⅰ)在未折起的中,设,则。
由,知,为等腰直角三角形,所以。
由折起前知,折起后,,,且,
所以平面。又,所以。于是,当且仅当,即时,等号成立。故当,即时,三棱锥的体积最大。
(Ⅱ)解法一:以为原点,建立如图所示的空间直角坐标系。
由(Ⅰ)知,当三棱锥的体积最大时,,。
于是可得,,,,,,
且。
设,则。 因为等价于,即,故,。
所以当(即是的靠近点的一个四等分点)时,。
设平面的一个法向量为,由 及,
得 可取。
设与平面所成角的大小为,则由,,可得
,即。
故与平面所成角的大小为。
解法二:由(Ⅰ)知,当三棱锥的体积最大时,,。
如图,取的中点,连结,,,则。
由(Ⅰ)知平面,所以平面。
如图,延长至点使得,连,,则四边形为正方形,
所以。取的中点,连结,又为的中点,则,
所以。 因为平面,又面,所以。
又,所以面。又面,所以。
因为当且仅当,而点是唯一的,所以点是唯一的。
即当(即是的靠近点的一个四等分点),。
连接,,由计算得,
所以与是两个共底边的全等的等腰三角形,
如图所示,取的中点,连接,,
则平面。在平面中,过点作于,
则平面。故是与平面所成的角。
在中,易得,所以是正三角形,故,即与平面所成角的大小为。
本题主要考查空间几何体的体积计算以及直线与平面之间的二面角计算问题。
(1)当三棱锥的体积最大时,由于底面积已固定,则只需当高最大即可,故此时垂直于底面,此时在可求得的长;
(2)当时,垂直于在底面的投影。求出点到平面的距离即可求出二面角的正弦值,从而可求得二面角的大小。此题也可用向量法求。