Question

（本小題滿分13分）
如圖，在四棱錐中，底面為直角梯形，且，，側(cè)面底面. 若.

（Ⅰ）求證：平面；
（Ⅱ）側(cè)棱上是否存在點(diǎn)，使得平面？若存在，指出點(diǎn) 的位置并證明，若不存在，請說明理由；
（Ⅲ）求二面角的余弦值.

Answer 1

解法一：
（Ⅰ）因?yàn)?，所以.
又因?yàn)閭?cè)面底面，且側(cè)面底面，
所以底面.
而底面，
所以.
在底面中，因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174022644628.gif" style="vertical-align:middle;" />，，
所以 ，所以.
又因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174022769390.gif" style="vertical-align:middle;" />， 所以平面. ……………………………4分
（Ⅱ）在上存在中點(diǎn)，使得平面，
證明如下：設(shè)的中點(diǎn)是，
連結(jié)，，，

則，且.
由已知，
所以. 又，
所以，且，
所以四邊形為平行四邊形，所以.
因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174023206273.gif" style="vertical-align:middle;" />平面，平面，
所以平面.      ……………8分
（Ⅲ）設(shè)為中點(diǎn)，連結(jié)，

則 .
又因?yàn)槠矫?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174023502323.gif" style="vertical-align:middle;" />平面，
所以 平面.
過作于，
連結(jié)，由三垂線定理可知.
所以是二面角的平面角.
設(shè)，則, .
在中，，所以.
所以 ，.
即二面角的余弦值為.        ………………………………13分
解法二：
因?yàn)?，
所以.
又因?yàn)閭?cè)面底面，
且側(cè)面底面，
所以 底面.
又因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174024781391.gif" style="vertical-align:middle;" />，
所以，，兩兩垂直
分別以，，為軸，軸，軸建立空間直角坐標(biāo)系，如圖.

設(shè)，則，，，，. 
（Ⅰ），，,
所以 ，，所以，.
又因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174025811399.gif" style="vertical-align:middle;" />， 所以平面.  …………………………4分
（Ⅱ）設(shè)側(cè)棱的中點(diǎn)是， 則，.
設(shè)平面的一個(gè)法向量是，則  
因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174026716427.gif" style="vertical-align:middle;" />，，
所以   取，則.
所以，所以.
因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140823/20140823174023206273.gif" style="vertical-align:middle;" />平面，所以平面.   …………………………8分
（Ⅲ）由已知，平面，所以為平面的一個(gè)法向量.
由（Ⅱ）知，為平面的一個(gè)法向量.
設(shè)二面角的大小為，由圖可知，為銳角，
所以.
即二面角的余弦值為.       ………………………………13分

略