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(I)求二面角的余弦值;
高考题中的翻折试题
(20)(本题满分15分)如图,在矩形ABCD中,点E,F分别在线段AB,AD上,AE=EB=AF=沿直线EF将翻折成使平面平面BEF.
(I)求二面角的余弦值;
(II)点M,N分别在线段FD,BC上,若沿直线MN将四边形MNCD向上翻折,使C
与重合,求线段FM的长.
解析:本题主要考察空间点、线、面位置关系,二面角等基础知识,空间向量的应用,同事考查空间想象能力和运算求解能力。
(Ⅰ)解:取线段EF的中点H,连结,因为=及H是EF的中点,所以,
又因为平面平面.
如图建立空间直角坐标系A-xyz
则(2,2,),C(10,8,0),
F(4,0,0),D(10,0,0).
故=(-2,2,2),=(6,0,0).
设=(x,y,z)为平面的一个法向量,
-2x+2y+2z=0
所以
6x=0.
取,则。
又平面的一个法向量,
故。
所以二面角的余弦值为
(Ⅱ)解:设则,
因为翻折后,与重合,所以,
故, ,得,
经检验,此时点在线段上,
所以。
方法二:
(Ⅰ)解:取线段的中点,的中点,连结。
因为=及是的中点,
所以
又因为平面平面,
所以平面,
又平面,
故,
又因为、是、的中点,
易知∥,
所以,
于是面,
所以为二面角的平面角,
在中,=,=2,=
所以.
故二面角的余弦值为。
(Ⅱ)解:设,
因为翻折后,与重合,
所以,
而,
得,
经检验,此时点在线段上,
所以。
.(2012年高考(湖北理))如图1,,,过动点A作,垂足D在线段BC上且异于点B,连接AB,沿将△折起,使(如图2所示).
(Ⅰ)当的长为多少时,三棱锥的体积最大;
(Ⅱ)当三棱锥的体积最大时,设点,分别为棱,的中点,试在棱上确定一点,使得,并求与平面所成角的大小.
考点分析:本题考察立体几何线面的基本关系,考察如何取到最值,用均值不等式和导数均可求最值.同时考察直线与平面所成角.本题可用综合法和空间向量法都可以.运用空间向量法对计算的要求要高些.解析:(Ⅰ)解法1:在如图1所示的△中,设,则.
由,知,△为等腰直角三角形,所以.由折起前知,折起后(如图2),,,且,所以平面.又,所以.于是
,
当且仅当,即时,等号成立,
故当,即时, 三棱锥的体积最大. 解法2:
同解法1,得. 令,由,且,解得.
当时,;当时,.
所以当时,取得最大值.
故当时, 三棱锥的体积最大. (Ⅱ)解法1:以为原点,建立如图a所示的空间直角坐标系.由(Ⅰ)知,当三棱锥的体积最大时,,.
于是可得,,,,,,
且.
设,则. 因为等价于,即
,故,.所以当(即是的靠近点的一个四等分点)时,. 21世纪教育网设平面的一个法向量为,由 及,得 可取.
设与平面所成角的大小为,则由,,可得
,即.
故与平面所成角的大小为 解法2:由(Ⅰ)知,当三棱锥的体积最大时,,.如图b,取的中点,连结,,,则∥.由(Ⅰ)知平面,所以平面.如图c,延长至P点使得,连,,则四边形为正方形,所以. 取的中点,连结,又为的中点,则∥,所以. 因为平面,又面,所以. 又,所以面. 又面,所以.因为当且仅当,而点F是唯一的,所以点是唯一的.即当(即是的靠近点的一个四等分点),. 连接,,由计算得,
所以△与△是两个共底边的全等的等腰三角形,
如图d所示,取的中点,连接,,
则平面.在平面中,过点作于,
则平面.故是与平面所成的角. 在△中,易得,所以△是正三角形,故,即与平面所成角的大小为
.(2012年高考(北京理))如图1,在Rt△ABC中,∠C=90°,BC=3,AC=6,D,E分别是AC,AB上的点,且DE∥BC,DE=2,将△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,使A1C⊥CD,如图2. (1)求证:A1C⊥平面BCDE;(2)若M是A1D的中点,求CM与平面A1BE所成角的大小;(3)线段BC上是否存在点P,使平面A1DP与平面A1BE垂直?说明理由. 【考点定位】此题第二问是对基本功的考查,对于知识掌握不牢靠的学生可能不能顺利解答.第三问的创新式问法,难度非常大.解:(1),
平面,
又平面,
又,
平面
(2)如图建系,则,,,
∴,
设平面法向量为,则∴∴
∴又∵∴
∴∴与平面所成角的大小(3)设线段上存在点,设点坐标为,则则,
设平面法向量为,则∴∴
假设平面与平面垂直,则,∴,,
∵
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