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如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,AB⊥AC,D、E、F分别是棱PA...

如图,在三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,AB⊥AC,D、E、F分别是棱PA、PB、PC的中点,连接DE,DF,EF.
(1)求证:平面DEF∥平面ABC;
(2)若PA=BC=2,当三棱锥P-ABC的体积的最大值时,求二面角A-EF-D的平面角的余弦值.

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(1)由已知中D、E分别是棱PA、PB的中点,根据三角形中位线定理,我们可以得到DE∥AB,由线面平行的判定定理可得DE∥平面PAB,同理可证DF∥平面PAB,进而由面面平行的判定定理,我们可得平面DEF∥平面ABC; (2)若PA=BC=2,当三棱锥P-ABC的体积的最大值时,我们可得AB=AC=,此时二面角A-EF-D有两种方法: ①几何法:作DG⊥EF,垂足为G,连接AG,则∠AGD是二面角A-EF-D的平面角,解△AGD即可求出二面角A-EF-D的平面角的余弦值. ②向量法:分别以AB、AC、AP所在直线为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系A-xyz,分别求出平面AEF与平面DEF的法向量,代入向量夹角公式,即可求出二面角A-EF-D的平面角的余弦值. 【解析】 (1)证明:∵D、E分别是棱PA、PB的中点, ∴DE是△PAB的中位线,∴DE∥AB, ∵DE⊄平面ABC,AB⊂平面ABC, ∴DE∥平面ABC,…(2分) 同理DF∥平面ABC ∵DE∩DF=D,DE⊂平面DEF, DF⊂平面DEF, ∴平面DEF∥平面ABC.…(4分) (2)求三棱锥P-ABC的体积的最大值,给出如下两种解法: 解法1:由已知PA⊥平面ABC,AC⊥AB,PA=BC=2, ∴AB2+AC2=BC2=4, ∴三棱锥P-ABC的体积为 =. 当且仅当AB=AC时等号成立,V取得最大值,其值为,此时AB=AC=. 解法2:设AB=x,在△ABC中,(0<x<2), ∴三棱锥P-ABC的体积为=…(6分) =, ∵0<x<2,0<x2<4,∴当x2=2,即时,V取得最大值,其值为,此时AB=AC=.…(8分) 求二面角A-EF-D的平面角的余弦值..,给出如下两种解法: 解法1:作DG⊥EF,垂足为G,连接AG, ∵PA⊥平面ABC,平面ABC∥平面DEF,∴P A⊥平面DEF, ∵EF⊂平面DEF,∴P A⊥EF. ∵DG∩PA=D,∴EF⊥平面PAG,AG⊂平面PAG,∴EF⊥AG, ∴∠AGD是二面角A-EF-D的平面角.…(10分) 在Rt△EDF中,DE=DF=,,∴. 在Rt△ADG中,, ∴. ∴二面角A-EF-D的平面角的余弦值为.…(14分) 解法2:分别以AB、AC、AP所在直线为x轴,y轴,z轴,建立如图的空间直角坐标系A-xyz, 则A(0,0,0),D(0,0,1),E(,0,1), F(0,,1).∴.…(9分) 设为平面AEF的法向量, 则, 即,令,则,z=-1, ∴为平面AEF的一个法向量.…(11分) ∵平面DEF的一个法向量为, ∴,…(13分) 而与所成角的大小等于二面角A-EF-D的平面角的大小. ∴二面角A-EF-D的平面角的余弦值为.…(14分).
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考点分析:
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试题属性
  • 题型:解答题
  • 难度:中等

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