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 三棱锥A ­ BCD及其侧视图、俯视图如图1­4所示.设MN分别为线段ADAB的中点,P为线段BC上的点,且MNNP.

(1)证明:P是线段BC的中点;

(2)求二面角A ­ NP ­ M的余弦值.

 

图1­4


解:(1)如图所示,取BD的中点O,连接AOCO.

由侧视图及俯视图知,△ABD,△BCD为正三角形,

所以AOBDOCBD.

因为AOOC⊂平面AOC,且AOOCO

所以BD⊥平面AOC.

又因为AC⊂平面AOC,所以BDAC.

BO的中点H,连接NHPH.

MNH分别为线段ADABBO的中点,所以MNBDNHAO

因为AOBD,所以NHBD.

因为MNNP,所以NPBD.

因为NHNP⊂平面NHP,且NHNPN,所以BD⊥平面NHP.

又因为HP⊂平面NHP,所以BDHP.

OCBDHP⊂平面BCDOC⊂平面BCD,所以HPOC.

因为HBO的中点,所以PBC的中点.

(2)方法一:如图所示,作NQACQ,连接MQ.

由(1)知,NPAC,所以NQNP.

因为MNNP,所以∠MNQ为二面角A ­ NP ­ M的一个平面角.

由(1)知,△ABD,△BCD为边长为2的正三角形,所以AOOC.

由俯视图可知,AO⊥平面BCD.

因为OC⊂平面BCD,所以AOOC,因此在等腰直角△AOC中,AC.

BRACR

因为在△ABC中,ABBC,所以RAC的中点,

所以BR.

因为在平面ABC内,NQACBRAC

所以NQBR.

又因为NAB的中点,所以QAR的中点,

所以NQ.

同理,可得MQ.

故△MNQ为等腰三角形,

所以在等腰△MNQ中,

cos∠MNQ.

故二面角A ­ NP ­ M的余弦值是.

方法二:由俯视图及(1)可知,AO⊥平面BCD.

因为OCOB⊂平面BCD,所以AOOCAOOB.

OCOB,所以直线OAOBOC两两垂直.

如图所示,以O为坐标原点,以OBOCOA的方向为x轴,y轴,z轴的正方向,建立空间直角坐标系O ­xyz.

A(0,0,),B(1,0,0),C(0,,0),D(-1,0,0).

因为MN分别为线段ADAB的中点,

又由(1)知,P为线段BC的中点,

故二面角A­NP­M的余弦值是.


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