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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

【北京人大附中高二】【2016浙江卷】如图,已知平面四边形\(ABCD\)\(AB=BC=3\)\(CD=1\)\(AD\)\(=\)\(\sqrt{5}\)\(\angle ADC=90^{\circ}\),沿直线\(AC\)\(\triangle ACD\) 翻折成 \(\triangle ACD'\),则直线\(AC\)\(BD'\) 所成角的余弦的最大值为__________。

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\(BO\perp AC\)

\(Rt\triangle ACD'\)中,\(AC=\sqrt{1^{2}+(\sqrt{5})^{2}}=\sqrt{6}\)

\(D'E\perp AC\),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\(B\)\(BF//AC\),过点\(E\)\(EF//BO\)\(BF\)于点\(F\),则\(EF\perp AC\)

连接\(D'F\)\(\angle FBD'\)异面直线\(AC\)\(BD'\)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\(AC\)\(BD'\)所成的角

则四边形\(BOEF\)为矩形,所以\(BF=EO=\cfrac{\sqrt{6}}{3}\)

\(EF=BO=\sqrt{3^{2}-(\cfrac{\sqrt{6}}{2})^{2}}=\cfrac{\sqrt{30}}{2}\)

\(\angle FED'\)为二面角 \(D'-CA-B\)的平面角,设为\(\theta\)

\(D'F^{2}=(\cfrac{\sqrt{30}}{6})^{2}+(\cfrac{\sqrt{30}}{2})^{2}-2\times\cfrac{\sqrt{30}}{6}\times\cfrac{\sqrt{30}}{2}\times\cos\theta\)

\(=\cfrac{25}{3}-5\cos\theta \geqslant \cfrac{10}{3}\),当\(\cos\theta=1\) 时取等号,

\(BD'\)的最小值 \(BD'_{min}=\sqrt{\cfrac{10}{3}+(\cfrac{\sqrt{6}}{3})^{2}}=2\)

故直线\(AC\)\(BD'\)所成角\(\alpha\)的余弦\(Rt\triangle BFD'\)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;

【2018年全国卷Ⅰ第18题】如图,四边形\(ABCD\)为正方形,\(E\)\(F\)分别为\(AD\)\(BC\)的中点,以\(DF\)为折痕把\(\triangle DFC\)折起,使点\(C\)到达点\(P\)的位置,且\(PF\perp BF\)

(1).证明:平面\(PEF\perp\)平面\(ABFD\)

证明:由已知可得,\(BF\perp PF\)\(BF\perp EF\)

\(PF\cap EF=F\)\(PF\subseteq\)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\(PE=\sqrt{3}\)

\(PF=1\)\(EF=2\),所以\(PE\perp PF\),可得\(PH=\cfrac{\sqrt{3}}{2}\)\(EH=\cfrac{3}{2}\)

\(H(0,0,0)\)\(P(0,0,\cfrac{\sqrt{3}}{2})\)\(D(-1,-\cfrac{3}{2},0)\)

\(\overrightarrow{DP}=(1,\cfrac{3}{2},\cfrac{\sqrt{3}}{2})\)\(\overrightarrow{HP}=(0,0,\cfrac{\sqrt{3}}{2})\)为平面\(ABFD\)的法向量,

\(DP\)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\(\cfrac{\sqrt{3}}{4}\)

如图所示, 已知长方形 \(ABCD\) 中, \(AB=2AD=2\sqrt{2}\)\(M\)\(DC\) 的中点, 将 \(\triangle\)\(ADM\) 沿 \(AM\) 折起, 使得 \(AD\)\(\perp\)\(BM\).

(1). 求证: 平面 \(ADM\perp\) 平面 \(ABCM\)

证明: 由于长方形 \(ABCD\) 中, \(AB=2AD=2\sqrt{2}\)\(M\)\(DC\) 的中点,

所以 \(AM=BM=2\)\(AM^{2}+BM^{2}=AB^{2}\), 则 \(BM\perp AM\)

\(AD\perp BM\)\(AD\bigcap AM=A\),所以 \(BM\perp\) 平面 \(ADM\)

\(BM\subset\) 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\(AB=2AD=2\sqrt{2}\)\(M\)\(DC\) 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,\(V_{E-ABM}=\cfrac{2}{3}V_{D-ABM}=\cfrac{2}{3}\times\cfrac{1}{3}S_{\Delta ABM}\cdot DF\)

\(=\cfrac{2}{3}\times\cfrac{1}{3}\times\cfrac{1}{2}\times 2\times 2\times 1=\cfrac{4}{9}\) .

posted @ 2020-10-06 10:09  静雅斋数学  阅读(292)  评论(0)    收藏  举报

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