三、解答题
18.(本小题满分12分)
如图,在三棱锥中,
底面
,
,
是
的中点,且
,
.
(I)求证:平面;
(II)当解变化时,求直线
与平面
所成的角的取值范围.
本小题主要考查线面关系、直线与平面所成角的有关知识,考查空间想象能力和
推理运算能力以及应用向量知识解决数学问题的能力.
解法1:(Ⅰ),
是等腰三角形,又
是
的中点,
,又
底面
.
.于是
平面
.
又平面
,
平面
平面
.
(Ⅱ)
过点在平面
内作
于
,则由(Ⅰ)知
平面
.
连接,于是
就是直线
与平面
所成的角.
在中,
;
设,在
中,
,
.
,
,
.
又,
.
即直线与平面
所成角的取值范围为
.
解法2:(Ⅰ)以所在的直线分别为
轴、
轴、
轴,建立如图所示
的空间直角坐标系,则,
于是,,
,
.
从而,即
.
同理,
即.又
,
平面
.
又平面
.
平面
平面
.
(Ⅱ)设直线
与平面
所成的角为
,平面
的一个法向量为
,
则由.
得
可取,又
,
于是,
,
,
.
又,
.
即直线与平面
所成角的取值范围为
.
解法3:(Ⅰ)以点为原点,以
所在的直线分别为
轴、
轴,
建立如图所示的空间直角坐标系,
则,
,
于是,
,
.
从而,即
.
同理,即
.
又,
平面
.
又平面
,
平面
平面
.
(Ⅱ)设直线与平面
所成的角为
,平面
的一个法向量为
,
则由,得
可取
,又
,
于是,
,
,
.
又,
,
即直线与平面
所成角的取值范围为
.
解法4:以所在直线分别为
轴、
轴、
轴,建立如图所示
的空间直角坐标系,则.
设.
(Ⅰ)
,
,
即.
,
即.
又,
平面
.
又平面
,
平面
平面
.
(Ⅱ)设直线与平面
所成的角为
,
设是平面
的一个非零法向量,
则取
,得
.
可取,又
,
于是,
,
关于
递增.
,
.
即直线与平面
所成角的取值范围为
.
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