如图,在几何体 ABCDE 中,四边形 ABCD 是矩形,…——2015 高考数学第 17 题答案解析

2015_退役省自主命题 (2015·理)

2015 National Question 17 Free-response Differentiating
2015_退役省自主命题 (2015·理)

17.如图,在几何体 ABCDE 中,四边形 ABCD 是矩形, $\mathrm{AB}^{\wedge}$ 平面 $\mathrm{BEC}, \mathrm{BE}^{\wedge} \mathrm{EC}, \mathrm{AB}=\mathrm{BE}=\mathrm{EC}=2, \mathrm{G}$ , F 分别是线段 $\mathrm{BE}, \mathrm{DC}$ 的中点.
( I )求证:$G F / /$ 平面 $A D E$ ;
(II)求平面 AEF 与平面 BEC 所成锐二面角的余弦值.

Answer key

(I)详见解析;(II)$\frac{2}{3}$ .

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完整解析 · 逐步详解

(I)取 $AE$ 的中点 $H$,连接 $HG, HD$.
因为 $G$ 是 $BE$ 的中点,所以 $GH$ 是 $\triangle ABE$ 的中位线,故 $GH // AB$ 且 $GH = \frac{1}{2}AB$.
在矩形 $ABCD$ 中,$F$ 是 $CD$ 的中点,所以 $DF = \frac{1}{2}CD$.
又因为 $AB // CD$ 且 $AB = CD$,所以 $GH // DF$ 且 $GH = DF$.
从而四边形 $HGFD$ 为平行四边形,故 $GF // DH$.
因为 $DH \subset$ 平面 $ADE$,$GF \not\subset$ 平面 $ADE$,
所以 $GF //$ 平面 $ADE$.

(II)因为 $AB \perp$ 平面 $BEC$,所以 $AB \perp BE, AB \perp EC$.
又 $BE \perp EC$,如图建立空间直角坐标系,以 $B$ 为原点,分别以 $\overrightarrow{BE}, \overrightarrow{BA}$ 的方向为 $x$ 轴、$z$ 轴的正方向,过 $B$ 作平行于 $EC$ 的直线为 $y$ 轴.
由题意知 $AB=BE=EC=2$,则各点坐标为:
$B(0,0,0), E(2,0,0), A(0,0,2)$.
因为 $BC$ 在 $yOz$ 平面投影为 $y$ 轴方向(实际 $C$ 点坐标需推导:$E(2,0,0)$,$\overrightarrow{EC}$ 平行 $y$ 轴且长度为 2,故 $C(2,2,0)$),
$D$ 点由 $\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{BC}=(2,2,0)$ 得 $D(2,2,2)$.
$F$ 为 $CD$ 中点,故 $F(2,2,1)$.

平面 $BEC$ 即 $xOy$ 平面,其法向量可取 $\vec{m} = (0,0,1)$(即 $\overrightarrow{BA}$ 方向).
设平面 $AEF$ 的法向量为 $\vec{n} = (x,y,z)$.
$\overrightarrow{AE} = (2,0,-2), \overrightarrow{AF} = (2,2,-1)$.
由 $\begin{cases} \vec{n} \cdot \overrightarrow{AE} = 2x - 2z = 0 \\ \vec{n} \cdot \overrightarrow{AF} = 2x + 2y - z = 0 \end{cases}$,
令 $x=1$,则 $z=1, y=-\frac{1}{2}$.
取 $\vec{n} = (2, -1, 2)$.

设平面 $AEF$ 与平面 $BEC$ 所成锐二面角为 $\theta$,则
$\cos \theta = |\cos \langle \vec{n}, \vec{m} \rangle| = \frac{|\vec{n} \cdot \vec{m}|}{|\vec{n}| |\vec{m}|} = \frac{|2 \times 0 + (-1) \times 0 + 2 \times 1|}{\sqrt{2^2+(-1)^2+2^2} \cdot 1} = \frac{2}{\sqrt{9}} = \frac{2}{3}$.
故平面 $AEF$ 与平面 $BEC$ 所成锐二面角的余弦值为 $\frac{2}{3}$.

✅ 来源:2015年 · 全国 · 2015_退役省自主命题 (2015·理) · 第 17 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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核心知识
Dihedral Angle
核心考法
法向量求二面角建系向量法数形结合
关键能力
应用Free-response
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范围错误符号错误
difficulty
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