翻折问题
前言
一旦涉及翻折问题,平面问题往往就变化为空间问题,难度就立马提升了,此时需要我们好好观察和思考,翻折前后哪些量变化了,哪些量没有变化。
典例剖析

法1:几何法,通过作---证---算的步骤完成。
如图所示,取\(AC\)的中点\(O\),由于\(AB=BC=3\),故\(BO\perp AC\),
在\(Rt\triangle ACD'\)中,\(AC=\sqrt{1^{2}+(\sqrt{5})^{2}}=\sqrt{6}\),

作 \(D'E\perp AC\),垂足为\(E\),\(D'E=\cfrac{1\times\sqrt{5}}{\sqrt{6}}=\cfrac{\sqrt{30}}{6}\),
\(CO=\cfrac{\sqrt{6}}{2}\),\(CE=\cfrac{DC^{2}}{CA}=\cfrac{1}{\sqrt{6}}=\cfrac{\sqrt{6}}{6}\),故\(EO=CO-CE=\cfrac{\sqrt{6}}{3}\),
过点\(B\)作\(BF//AC\),过点\(E\)作\(EF//BO\)交\(BF\)于点\(F\),则\(EF\perp AC\),
连接\(D'F\),\(\angle FBD'\)为异面直线\(AC\)与\(BD'\)所成的角求作异面直线所成的角,常用的方法是将其中的一条直线平移和另一条共面,此时这两条共面直线所成的角,即两异面直线所成的角。故两异面直线所成的角的范围为\((0,\cfrac{\pi}{2}]\),此题目中,由于\(AC\)//\(BF\),故\(\angle FBD'\)即异面直线\(AC\)与\(BD'\)所成的角,
则四边形\(BOEF\)为矩形,所以\(BF=EO=\cfrac{\sqrt{6}}{3}\),
\(EF=BO=\sqrt{3^{2}-(\cfrac{\sqrt{6}}{2})^{2}}=\cfrac{\sqrt{30}}{2}\),
则\(\angle FED'\)为二面角 \(D'-CA-B\)的平面角,设为\(\theta\),
则\(D'F^{2}=(\cfrac{\sqrt{30}}{6})^{2}+(\cfrac{\sqrt{30}}{2})^{2}-2\times\cfrac{\sqrt{30}}{6}\times\cfrac{\sqrt{30}}{2}\times\cos\theta\)
\(=\cfrac{25}{3}-5\cos\theta \geqslant \cfrac{10}{3}\),当\(\cos\theta=1\) 时取等号,
故\(BD'\)的最小值 \(BD'_{min}=\sqrt{\cfrac{10}{3}+(\cfrac{\sqrt{6}}{3})^{2}}=2\),
故直线\(AC\)与\(BD'\)所成角\(\alpha\)的余弦在\(Rt\triangle BFD'\)中,\(\cos\)\(\alpha\)\(=\)\(\cfrac{邻}{斜}\),由于邻边\(BF\)长度不变,故斜边\(BD'\)最小时,\(\cos\alpha\)的值最大;的最大值\([\cos\alpha]_{max}=\cfrac{BF}{BD'}=\cfrac{\frac{\sqrt{6}}{3}}{2}=\cfrac{\sqrt{6}}{6}\)
法2: 也可以考虑使用空间向量法;

(1).证明:平面\(PEF\perp\)平面\(ABFD\);
证明:由已知可得,\(BF\perp PF\),\(BF\perp EF\),
又\(PF\cap EF=F\),\(PF\subseteq\)平面\(PEF\),\(EF\subseteq\)平面\(PEF\),
所以\(BF\perp\)平面\(PEF\),又\(BF\subseteq\)平面\(ABFD\),
所以平面\(PEF\perp\)平面\(ABFD\);
(2).求\(DP\)与平面\(ABFD\)所成角的正弦值。
解:作\(PH\perp EF\),垂足为\(H\),由(1)得,\(PH\perp\)平面\(ABFD\),以\(H\)为坐标原点,\(\overrightarrow{HF}\)的方向为\(y\)轴正方向,\(|\overrightarrow{BF}|\)为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系\(H-xyz\),

由(1)得到,\(DE\perp PE\),又\(DP=2\),\(DE=1\),所以\(PE=\sqrt{3}\),
又\(PF=1\),\(EF=2\),所以\(PE\perp PF\),可得\(PH=\cfrac{\sqrt{3}}{2}\),\(EH=\cfrac{3}{2}\),
则\(H(0,0,0)\),\(P(0,0,\cfrac{\sqrt{3}}{2})\),\(D(-1,-\cfrac{3}{2},0)\),
则\(\overrightarrow{DP}=(1,\cfrac{3}{2},\cfrac{\sqrt{3}}{2})\),\(\overrightarrow{HP}=(0,0,\cfrac{\sqrt{3}}{2})\)为平面\(ABFD\)的法向量,
设\(DP\)与平面\(ABFD\)所成角为\(\theta\),则\(sin\theta=|cos<\overrightarrow{HP},\overrightarrow{DP}>|=|\cfrac{\overrightarrow{HP}\cdot \overrightarrow{DP}}{|\overrightarrow{HP}||\overrightarrow{DP}|}|=\cfrac{\frac{3}{4}}{\sqrt{3}}=\cfrac{\sqrt{3}}{4}\),
所以\(DP\)与平面\(ABFD\)所成角的正弦值为\(\cfrac{\sqrt{3}}{4}\)。

(1). 求证: 平面 \(ADM\perp\) 平面 \(ABCM\);
证明: 由于长方形 \(ABCD\) 中, \(AB=2AD=2\sqrt{2}\), \(M\) 为 \(DC\) 的中点,
所以 \(AM=BM=2\), \(AM^{2}+BM^{2}=AB^{2}\), 则 \(BM\perp AM\),
又 \(AD\perp BM\), \(AD\bigcap AM=A\),所以 \(BM\perp\) 平面 \(ADM\),
又 \(BM\subset\) 平面 \(ABCM\), 平面 \(ADM\perp\) 平面 \(ABCM\);
(2). 若 \(E\) 点在线段 \(BD\) 上, 且满足 \(BE=\cfrac{2}{3}BD\), 求三棱雉 \(E-ABM\) 的体积.
解:取 \(A M\) 的中点 \(F\), 连接 \(DF\),
由于\(AB=2AD=2\sqrt{2}\), \(M\) 为 \(DC\) 的中点, 所以\(AD=DM=\sqrt{2}\),
所以 \(DF\perp AM\), 得 \(DF=1\),

由(1)知, 平面 \(ADM\perp\) 平面 \(ABCM\), \(DF\subset\) 平面 \(ADM\), 平面 \(ADM\cap\) 平面 \(ABCM=AM\),
所以 \(DF\perp\) 平面 \(ABCM\),
由于 \(\overrightarrow{BE}=\cfrac{2}{3}\overrightarrow{BD}\), \(E\) 到平面 \(ABCM\) 的距离等于 \(D\) 到平面 \(ABCM\) 的距离的 \(\cfrac{2}{3}\),
所以,\(V_{E-ABM}=\cfrac{2}{3}V_{D-ABM}=\cfrac{2}{3}\times\cfrac{1}{3}S_{\Delta ABM}\cdot DF\)
\(=\cfrac{2}{3}\times\cfrac{1}{3}\times\cfrac{1}{2}\times 2\times 2\times 1=\cfrac{4}{9}\) .

一旦涉及翻折问题,平面问题往往就变化为空间问题,难度就立马提升了,此时需要我们好好观察和思考,翻折前后哪些量变化了,哪些量没有变化。
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