(本小题满分13分)
如图所示,在多面体中,四边形,,均为正方形,为的中点,过,,的平面交于。
(Ⅰ)证明:。
(Ⅱ)求二面角余弦值。
(Ⅰ)证明:因为,面,面,所以面。又因为面面,所以而,所以。
(Ⅱ)解法一:将原来图形补全成正方体。如图所示,过作,取中点,连接,则,,所以是二面角的平面角。设正方体边长为,所以,,所以。故二面角的平面角的余弦值是。
解法二:因为四边形,,均为正方形,所以,,且,以为原点,分别以、、为轴、轴、轴单位正向量建立如图所示的空间直角坐标系,可得点的坐标,,,,,,而点为的中点,所以点的坐标为。
设面的法向量,而该面上向量,,由,得、、应满足方程组,为其一组解,所以可以取。
设面的法向量,而该面上向量,,由此同理可得。
所以结合图形而知二面角的余弦值为。
本题主要考查空间中点、线面之间的关系。
(1)由线面平行推出线线平行。
(2)解法一:补全正方体,可以证明是二面角的平面角,进而求出二面角的平面角的余弦值是。
解法二:建立空间直角坐标系,求出二面角两个平面的法向量,利用法向量夹角的余弦值求出二面角的平面角的余弦值。