如图,在三棱柱中,平面,,,,分别为,,,的中点,,。
(Ⅰ)求证:平面;
(Ⅱ)求二面角的余弦值;
(Ⅲ)证明:直线与平面相交。
(Ⅰ)证明:因为为中点,,
所以。
因为平面,、分别为、的中点,
所以,
所以平面。
因为平面,
又因为,平面,平面,
(Ⅱ)由(Ⅰ)知平面,,。
又因为,
所以、、两两垂直。
以为原点,分别以、、为、、轴建立空间直角坐标系,如图所示,
在中,因为,,
所以,,
所以,,,,,
所以,。
设平面的法向量为,
则,即,
不妨令,所以,
显然,平面,
所以可取平面的法向量为。
设平面的法向量与平面的法向量的夹角为,
则,
由图可得,二面角为钝角,
所以二面角的余弦值为。
(Ⅲ)证明:因为,,
由(Ⅱ)可知,平面的一个法向量为,
而,
所以直线不与平面平行,
又直线不在平面内,
所以直线与平面相交。
本题主要考查空间向量的应用和点、直线、平面的位置关系。
(Ⅰ)由,为中点可得,由,平面得。因为,所以平面。
(Ⅱ)由(Ⅰ)的结论建立空间直角坐标系,分别得出,,进而求得平面的一个法向量,由平面,所以,观察图可知二面角为钝角,所以二面角余弦值为。
(Ⅲ)根据说明与法向量不垂直,得到直线不与平面平行,即直线与平面相交。