如圖,四邊形ABCD為直角梯形,AD∥BC,AD⊥CD.AD=AB=2BC,四邊形ABEF為矩形,平面ABEF⊥平面ABCD.
(Ⅰ)C、D、E、F四點(diǎn)共面嗎?證明你的結(jié)論;
(Ⅱ)設(shè)AF=kAB(0<k<1),二面角A-FD-B的余弦值為
13
,求實(shí)數(shù)k的值.
分析:解法一:(Ⅰ)C、D、E、F四點(diǎn)不共面.利用反證法進(jìn)行證明;
(Ⅱ)作MT⊥FD于T,連接BT,則由三垂線逆定理可知BT⊥FD,所以∠MTB就是所求二面角的平面角,從而可求得結(jié)論;
解法二:以D為原點(diǎn),DC為x軸,DA為y軸建立右手直角坐標(biāo)系(Ⅰ)若C、D、E、F四點(diǎn)共面,則存在實(shí)數(shù)λ,μ使得
DE
DF
DC
,確定所得方程組無解即可;
(Ⅱ)確定
DC
平面AFD的一個(gè)法向量,求出平面BDF的法向量,利用向量的夾角公式,即可得到結(jié)論.
解答:解法一:
(Ⅰ)C、D、E、F四點(diǎn)不共面.
證明:假設(shè)C、D、E、F四點(diǎn)共面.
因?yàn)镋F∥AB,AB⊆平面ABCD,EF?平面ABCD,所以EF∥平面ABCD,
因?yàn)镋F⊆平面CDEF,且平面ABCD∩平面CDEF=CD,所以EF∥CD,
又EF∥AB,所以AB∥CD,這與已知矛盾.
所以假設(shè)不成立,因此C、D、E、F四點(diǎn)不共面.------(6分)
(Ⅱ)因?yàn)槠矫鍭BEF⊥平面ABCD,且AF⊥AB,所以AF⊥平面ABCD,
所以平面AFD⊥平面ABCD.
△ABD為正三角形,連接BM,則BM⊥AD,所以BM⊥平面ADF.
作MT⊥FD于T,連接BT,則由三垂線逆定理可知BT⊥FD,所以∠MTB就是所求二面角的平面角.---------(9分)
不妨設(shè)AB=2,則BM=
3

由于cos∠MTB=
1
3
,所以tan∠MTB=2
2
,所以MT=
6
4

由△DMT∽△DFA,可得
AF
MT
=
FD
MD
=
AF2+AD2
MD
,解得AF=
2
15
5
,所以k=
AF
AB
=
15
5
.--------(14分)
解法二:以D為原點(diǎn),DC為x軸,DA為y軸建立右手直角坐標(biāo)系.不妨設(shè)AB=2,則AF=2k.
所以D(0,0,0),C(
3
,0,0)
B(
3
,1,0)
,A(0,2,0),F(xiàn)(0,2,2k),E(
3
,1,2k)
.--------(3分)
(Ⅰ)若C、D、E、F四點(diǎn)共面,則存在實(shí)數(shù)λ,μ使得
DE
DF
DC
,即
3
=
3
μ
1=2λ
2k=2kλ
,λ,μ無解,
因此C、D、E、F四點(diǎn)不共面.--------(6分)
(Ⅱ)因?yàn)槠矫鍭BEF⊥平面ABCD,且AF⊥AB,所以AF⊥平面ABCD,所以AF⊥DC,又因?yàn)锳D⊥DC,所以DC⊥平面AFD,所以
DC
平面AFD的一個(gè)法向量.
設(shè)平面BDF的法向量為
n
=(x,y,z),則有
n
DF
=0
n
DB
=0

2y+2kz=0
3
x+y=0
,則可以得到其中的一個(gè)法向量為
n
=(1,-
3
,
3
k
)

由因?yàn)槎娼茿-FD-B的余弦值為
1
3
,所以
|
n
DC|
|
n
|•|
DC
|
=
1
3
,解得k=
15
5
.----------------(14分)
點(diǎn)評:本題考查四點(diǎn)共面,考查面面角,考查利用向量方法解決立體幾何問題,確定平面的法向量是關(guān)鍵.
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12
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12
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