(本小题满分12分)
如图,在四棱锥中,平面,,,,,是的中点。
(Ⅰ)证明:平面;
(Ⅱ)若直线与平面所成的角和与平面所成的角相等,求四棱锥的体积。
法一:(Ⅰ)如图:
连接,由,,,。又,是的中点,所以。因为平面,平面,所以 。而,是平面内的两条相交直线,所以平面。
(Ⅱ)过点作,分别与相交于,连接。由(Ⅰ)平面知,平面.于是为直线与平面所成的角,且。由平面知,为直线与平面所成的角。,由题意,知,因为,所以。由知,,又,所以四边形是平行四边形,故。于是。在中,,所以,于是。又梯形的面积为,所以四棱锥的体积为。
法二:如图,以为坐标原点,所在直线分别为轴,轴,轴建立空间直角坐标系.设,则相关的各点坐标为:,,,,,。
(Ⅰ)易知,。因为,所以而是平面内的两条相交直线,所以平面 。
(Ⅱ)由题设和(Ⅰ)知,分别是平面,平面的法向量,而与平面所成的角和与平面所成的角相等,所以,即。由(Ⅰ)知,,由,故,解得。又梯形的面积为,所以四棱锥的体积为 。
本题主要考查点线面的位置关系及建系法的应用。
(Ⅰ)证明直线垂直于平面即证明直线和平面内的两条相交直线垂直。本题中。
(Ⅱ)由于平面,故考虑使用建系法,以为原点建立坐标系,设,利用向量的数量积求出与平面所成的角及与平面所成的角,列方程解出,。