(本小题满分12分)
三棱锥及其侧视图、俯视图如图所示,设,分别为线段,的中点,为线段上的点,且。
(Ⅰ)证明:是线段的中点;
(Ⅱ)求二面角的余弦值。
(Ⅰ)如图,
取中点,联结。
由侧视图及俯视图知,,为正三角形,因此,。
因为,平面内,且。
所以平面。
因为平面,所以。
取的中点,连接。
又分别为线段的中点,所以,。
因为,所以。因为,所以。
因为,平面,且,所以平面。
又因为平面,所以。又,平面,平面,所以。因为为中点,故
为中点。
(Ⅱ)解法一:
如图,作于,连接。由(Ⅰ)知,,所以。因为,所以为二面角的一个二面角。
由(Ⅰ)知,,为边长为的正三角形,所以。由俯视图可知,平面,因为平面,所以,因此在等腰中,。作于,在中,,所以。
因为在平面内,,,所以。又因为为的中点,所以为的中点,因此。同理可得。所以在等腰中,。故二面角的余弦值是。
解法二:由俯视图及(Ⅰ)可知,平面,因为,平面,所以,。又,所以直线,,两两垂直。如图,
以为坐标原点,以,,的方向为轴,轴,轴的正方向,建立空间直角坐标系。
则,,,。因为分别为线段的中点,又由(Ⅰ)知,为线段的中点,所以,,。于是,,,。
设平面的一个法向量,则即有从而。
取,则,,所以。设平面的一个法向量,则即有从而。取,所以。设二面角的大小为,则。故二面角的余弦值是。
本题主要考查点、直线、平面的位置关系和空间向量的应用。
(Ⅰ)通过作辅助线,找点线面之间的关系求解;
(Ⅱ)两种方法,一种是作出二面角求解,一种是建立空间直角坐标系求解。