题目内容
【题目】如图,四边形ABCD中,AB⊥AD,AD∥BC,AD=6,BC=2AB=4,E,F分别在BC,AD上,EF∥AB.现将四边形ABCD沿EF折起,使平面ABEF⊥平面EFDC.
(Ⅰ)若BE=1,是否在折叠后的线段AD上存在一点P,且,使CP∥平面ABEF?若存在,求出λ的值,若不存在,说明理由;
(Ⅱ)求三棱锥A-CDF的体积的最大值,并求出此时二面角E-AC-F的余弦值.
【答案】(1)见解析(2)
【解析】试题分析:(1)过点P作MP∥FD交AF于点M,若MP=CE,则四边形MPCE为平行四边形,即有CP∥ME,也就得CP∥平面ABEF,因此由相似比可得λ的值,(2)由面面垂直性质定理得AF⊥平面EFDC,所以AF为高,根据三棱锥体积公式以及基本不等式可得体积最大值;过E作EO⊥CF,则根据三垂线定理可得AO⊥CF,即∠AOE为二面角E-AC-F的平面角,最后通过解三角形得余弦值
试题解析:∵平面ABEF⊥平面EFDC,平面ABEF∩平面EFDC=EF,FD⊥EF,
∴FD⊥平面ABEF,又AF平面ABEF,
∴FD⊥AF,
在折起过程中,AF⊥EF,又FD∩EF=F,
∴AF⊥平面EFDC.
以F为原点,FE,FD,FA分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系.
(I)解法一:若BE=1,则各点坐标如下:
F(0,0,0),A(0,0,1),D(0,5,0),C(2,3,0),
∴平面ABEF的法向量可为=(0,5,0),
∵=λ,
∴-=λ(-),
∴=+= (0,0,1)+ (0,5,0)=,
∴P,
∴==,
若CP∥平面ABEF,则必有⊥,即·=0,
∵·=·(0,5,0)=·5=0,
∴λ=,
∴AD上存在一点P,且=,使CP∥平面ABEF.
解法二:AD上存在一点P,使CP∥平面ABEF,此时λ=.理由如下:
当λ=时,=,可知=,
过点P作MP∥FD交AF于点M,连接EM,PC,则有==,
又BE=1,可得FD=5,故MP=3,
又EC=3,MP∥FD∥EC,故有MP∥EC,故四边形MPCE为平行四边形,
∴CP∥ME,又CP平面ABEF,ME平面ABEF,
故有CP∥平面ABEF.
(II)设BEx(0<x≤4),则AF=x,FD=6-x,
故V三棱锥A-CDF=··2·(6-x)·x= (-x2+6x),
∴当x=3时,V三棱锥A-CDF有最大值,且最大值为3,
∴A(0,0,3),D(0,3,0),C(2,1,0),E(2,0,0),
∴=(2,0,-3),=(2,1,-3),=(0,0,3),=(2,1,0),
设平面ACE的法向量m=(x1,y1,z1),
则,即,
令x1=3,则y1=0,z1=2,则m=(3,0,2).
设平面ACF的法向量n=(x2,y2,z2),
则,即,
令x2=1,则y2=-2,z2=0,则n=(1,-2,0),
则cos〈m,n〉===,
故二面角E-AC-F的余弦值为.