如图,已知AB⊥平面ACD,DE∥AB,△ACD是正三角形,AD=DE=2AB,且F是CD的中点.(1)求证:AF∥平面BCE;(2)求证:平面BCE⊥平面CDE;(3)求平面BCE与平面ACD所成锐二面角的大小.

问题描述:

如图,已知AB⊥平面ACD,DE∥AB,△ACD是正三角形,AD=DE=2AB,且F是CD的中点.

(1)求证:AF∥平面BCE;
(2)求证:平面BCE⊥平面CDE;
(3)求平面BCE与平面ACD所成锐二面角的大小.

作业帮(1)证:取CE中点P,连接FP、BP,
∵F为CD的中点,∴FP∥DE,且FP=

1
2
DE.
又AB∥DE,且AB=
1
2
DE
.∴AB∥FP,且AB=FP,
∴ABPF为平行四边形,∴AF∥BP.…(2分)
又∵AF⊄平面BCE,BP⊂平面BCE,
∴AF∥平面BCE. …(4分)
(2)∵△ACD为正三角形,∴AF⊥CD.
∵AB⊥平面ACD,DE∥AB,
∴DE⊥平面ACD,又AF⊂平面ACD,
∴DE⊥AF.又AF⊥CD,CD∩DE=D,
∴AF⊥平面CDE. …(6分)
又BP∥AF,∴BP⊥平面CDE.又∵BP⊂平面BCE,
∴平面BCE⊥平面CDE. …(8分)
(3)由(2),以F为坐标原点,FA,FD,FP所在的直线分别为x,y,z轴(如图),
建立空间直角坐标系F-xyz.设AC=2,
则C(0,-1,0),B(-
3
,0,1),E(0,1,2)
.…(9分)
设n=(x,y,z)为平面BCE的法向量,
n•
CB
=0,n•
CE
=0,
-
3
x+y+z=0
2y+2z=0
令z=1,则n=(0,-1,1).…(10分)
显然,m=(0,0,1)为平面ACD的法向量.
设平面BCE与平面ACD所成锐二面角为α,则cosα=
|m•n|
|m|•|n|
=
1
2
=
2
2

α=45°,即平面BCE与平面ACD所成锐二面角为45°.…(12分)
答案解析:(1)取CE中点P,连接FP、BP,根据中位线定理可知FP∥DE,且FP=
1
2
DE
,而AB∥DE,且AB=
1
2
DE
则ABPF为平行四边形,则AF∥BP,AF⊄平面BCE,BP⊂平面BCE,满足线面平行的判定定理,从而证得结论;
(2)根据AB⊥平面ACD,DE∥AB,则DE⊥平面ACD,又AF⊂平面ACD,根据线面垂直的性质可知DE⊥AF.又AF⊥CD,CD∩DE=D,满足线面垂直的判定定理,证得AF⊥平面CDE,又BP∥AF,则BP⊥平面CDE,BP⊂平面BCE,根据面面垂直的判定定理可证得结论;
(3)由(2),以F为坐标原点,FA,FD,FP所在的直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系F-xyz.设AC=2,根据线面垂直求出平面BCE的法向量n,而m=(0,0,1)为平面ACD的法向量,设平面BCE与平面ACD所成锐二面角为α,根据cosα=
|m•n|
|m|•|n|
可求出所求.
考试点:与二面角有关的立体几何综合题;直线与平面平行的判定;平面与平面垂直的判定.
知识点:本题主要考查了线面平行的判定,以及面面垂直的判定和利用空间向量定理二面角的平面角,同时考查了空间想象能力和推理论证的能力,属于中档题.