Question

3．如圖所示的空間幾何體中，底面四邊形ABCD為正方形，AF⊥AB，AF∥BE，平面ABEF⊥平面ABCD，DF=$\sqrt{5}$，CE=2$\sqrt{2}$，BC=2．
（Ⅰ）求二面角F-DE-C的大��；
（Ⅱ）若在平面DEF上存在點(diǎn)P，使得BP⊥平面DEF，試通過(guò)計(jì)算說(shuō)明點(diǎn)P的位置．

Answer 1

分析 （Ⅰ）以A為原點(diǎn)，AD為x軸，AB為y軸，AF為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，利用向量法能求出二面角F-DE-C的大�。�
（Ⅱ）設(shè)$\overrightarrow{DP}$=$λ\overrightarrow{DE}+μ\overrightarrow{DF}$，推導(dǎo)出$\overrightarrow{BP}$=$\overrightarrow{BD}+\overrightarrow{DP}$=（2-2λ-2μ，2λ-2，2λ+μ），由線面垂直的性質(zhì)能求出P是線段DE上靠近E的三等分點(diǎn)．

解答 解：（Ⅰ）∵底面四邊形ABCD為正方形，AF⊥AB，AF∥BE，平面ABEF⊥平面ABCD，
∴AF⊥底面ABCD，
以A為原點(diǎn)，AD為x軸，AB為y軸，AF為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，
∵DF=$\sqrt{5}$，CE=2$\sqrt{2}$，BC=2，
∴D（2，0，0），E（0，2，2），F(xiàn)（0，0，1），C（2，2，0），
$\overrightarrow{DE}$=（-2，2，2），$\overrightarrow{DF}$=（-2，0，1），$\overrightarrow{DC}$=（0，2，0），
設(shè)平面DEF的法向量$\overrightarrow{n}$=（x，y，z），
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{DE}=-2x+2y+2z=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{DF}=-2x+z=0}\end{array}\right.$，取x=1，得$\overrightarrow{n}$=（1，-1，2），
設(shè)平面DEC的法向量$\overrightarrow{m}$=（a，b，c），
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{DE}=-2a+2b+2c=0}\\{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{DC}=2b=0}\end{array}\right.$，取a=1，得$\overrightarrow{m}$=（1，0，1），
設(shè)二面角F-DE-C的大小為θ，由圖形知θ為鈍角，
則cosθ=-$\frac{|\overrightarrow{m}•\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}|•|\overrightarrow{n}|}$=-$\frac{3}{\sqrt{6}•\sqrt{2}}$=-$\frac{\sqrt{3}}{2}$，
∴θ=$\frac{5π}{6}$，
∴二面角F-DE-C的大小為$\frac{5π}{6}$．
（Ⅱ）設(shè)$\overrightarrow{DP}$=$λ\overrightarrow{DE}+μ\overrightarrow{DF}$，
∵$\overrightarrow{DE}=（-2，2，2）$，$\overrightarrow{DF}$=（-2，0，1），
又$\overrightarrow{BD}$=（2，-2，0），$\overrightarrow{DP}$=$λ\overrightarrow{DE}$+μ$\overrightarrow{DF}$=（-2λ，2λ，2λ）+（-2μ，-2μ，2λ，2λ+μ），
∴$\overrightarrow{BP}$=$\overrightarrow{BD}+\overrightarrow{DP}$=（2-2λ-2μ，2λ-2，2λ+μ），
∵$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{BP}•\overrightarrow{DP}=0}\\{\overrightarrow{BP}•\overrightarrow{DE}=0}\end{array}\right.$，∴$\left\{\begin{array}{l}{-2（2-λ-2μ）+2λ+μ=0}\\{-2（2-2λ-2μ）+2（2λ-2）+2（2λ+μ）=0}\end{array}\right.$，
解得$\left\{\begin{array}{l}{μ=0}\\{λ=\frac{2}{3}}\end{array}\right.$，即$\overrightarrow{DP}$=$\frac{2}{3}\overrightarrow{DE}$．
∴P是線段DE上靠近E的三等分點(diǎn)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查二面角的求法，考查滿足條件的點(diǎn)的位置的確定，考查推理論證能力、運(yùn)算求解能力、空間思維能力，考查轉(zhuǎn)化化歸思想、數(shù)形結(jié)合思想，是中檔題．