三、解答题

 

19.(本小题满分12分)

已知正方形,分别是边的中点,将沿折起,

如图所示,记二面角的大小为().

(1)证明平面;

(2)若为正三角形,试判断点在平面内的射影是否在直线

上,证明你的结论,并求角的余弦值.

 

 

 

 

(19)本小题主要考查空间中的线面关系,解三角形等基础知识,考查空间想象能力

和思维能力.满分12分.

   (Ⅰ)证明:E、F分别是正方形ABCD的边AB、CD的中点.

∴EB∥FD,且EB=FD.

∴四边形EBFD是平行四边形,

∴BF∥ED.

∵ED平面AED.而BF平面AED,

∴BF∥平面AED.

(Ⅱ)解法一:点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.

过点A作AG⊥平面BCDE,垂足为G,连结GC,GD.

∵△ACD为正三角形,

∴AC=AD.

∴GC=GD.

∴G在CD的垂直平分线上.

又∵EF是CD的垂直平分线,

∴点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.过G作GH⊥ED,垂足为H,连结AH,即AH⊥DE.

∴∠AHG是二面角A-DE-C的平面角,即∠AHG=θ

设原正方形ABCD的边长为2a,连结AF.

在折后图的△AEF中,AF=a,EF=2AE=2a,

∴△AEF为直角三角形,AG·EF=AE·AF,

∴AG=a.

在Rt△ADE中,AH·DE=AD·AE,

∴AH=,

∴GH=,

∴cosθ=.

解法二:点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.

连结AF,在平面AEF内过点A作AG′⊥EF,垂足为G′.

∵△ACD为正三角形,F为CD的中点,

∴AF⊥CD.

又∵EF⊥CD,

∴CD⊥平面AEF.

∵AG′平面AEF,

∴CD⊥AG′.

又∵AG′⊥EF,且CD∩EF=F,CD平面BCDE,EF平面BCDE,

∴AG′⊥平面BCDE,

∴G′为A在平面BCDE内的射影G.

∴点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.

过G作GH⊥ED,垂足为H,连结AH,则AH⊥DE,

∴∠AHG是二面角A-DE-C的平面角,即∠AHG=θ

设原正方形ABCD的边长为2a.

在折后图的△AEF中,AF=a,EF=2AE=2a,

∴△AEF为直角三角形,AG·EF=AE·AF.

∴AG=a,

在Rt△ADE中,AH·DE=AD·AE,

∴AH=,

∴GH=,

∴cosθ=.

解法三:点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.连结AF,在平面AEF内过点A作AG′⊥EF,垂足为G′.

∵△ACD为正三角形,F为CD中点.

∴AF⊥CD.

又∵EF⊥CD.

∴CD⊥平面AEF.

∵CD平面BCDE,

∴平面AEF⊥平面BCDE.

又∵平面AEF∩平面BCDE=EF,AG′⊥EF,

∴AG′⊥平面BCDE,即G′为A在平面BCDE内的射影G,

∴点A在平面BCDE内的射影G在直线EF上.

过G作GH⊥DE,垂足为H,连结AH,则AH⊥DE,

∴∠AHG是二面角A-DE-C的平面角,即∠AHG=θ.

设原正方形ABCD的边长为2a.

在折后图的△AEF中,AF=a,EF=2AE=2a,

∴△AEF为直角三角形,AG·EF=AE·AF.

∴AG=a.

在Rt△ADE中,AH·DE=AD·AE,

∴AH=,

∴GH=,

∴cosθ=.

 

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