19.(本小题满分14分,第一小问满分4分,第二小问满分5分,第三小问满分5分)
在正三角形ABC中,E、F、P分别是AB、AC、BC边上的点,满足AE:EB=CF:FA=CP:PB=1:2(如图1)。将△AEF沿EF折起到
的位置,使二面角A1-EF-B成直二面角,连结A1B、A1P(如图2)
(Ⅰ)求证:A1E⊥平面BEP;
(Ⅱ)求直线A1E与平面A1BP所成角的大小;
(Ⅲ)求二面角B-A1P-F的大小(用反三角函数表示)
[考点分析:本题主要考查线面垂直、直线和平面所成的角、二面角等基础知识,以及空间线面位置关系的证明、角和距离的计算等,考查空间想象能力、逻辑推理能力和运算能力]
[解]不妨设正三角形的边长为3,则
(I)在图1中,取BE的中点D,连结DF,
∵AE∶EB=CF∶FA=1∶2,∴AF=AD=2,而∠A=60o,∴△ADF为正三角形。
又AE=DE=1,∴EF⊥AD。
在图2中,A1E⊥EF,BE⊥EF,∴∠A1EB为二面角A1-EF-B的一个平面角,
由题设条件知此二面角为直二面角,∴A1E⊥BE。
又BE
EF=E,∴A1E⊥面BEF,即A1E⊥面BEP。
(II)在图2中,∵A1E不垂直于A1B,∴A1E是面A1BP的斜线,又A1E⊥面BEP,∴A1E⊥BP,∴BP垂直于A1E在面A1BP内的射影(三垂线定理的逆定理)
设A1E在面A1BP内的射影为A1Q,且A1Q交BP于Q,
则∠EA1Q就是A1E与面A1BP所成的角,且BP⊥A1Q。
在△EBP中,∵BE=BP=2,∠EBP=60o,∴△EBP为正三角形,∴BE=EP。
又A1E⊥面BEP,∴A1B=A1P,∴Q为BP的中点,且EQ=
,而A1E=1,
∴在Rt△A1EQ中,
,即直线A1E与面A1BP所成角为60o。
(III)在图3中,过F作FM于M,连结QM、QF。
∵CF=CP=1,∠C=60o,∴△FCP为正三角形,故PF=1,
又PQ=
BP=1,∴PF=PQ……①
∵A1E⊥面BEP,EQ=EF=
,∴A1F=A1Q,
∴△A1FP
△A1QP,故∠A1PF=∠A1PQ……②
由①②及MP为公共边知△FMP
△QMP,故∠QMP=∠FMP=90o,且MF=MQ,
∴∠FMQ为二面角B-A1P-F的一个平面角。
在Rt△A1QP中,A1Q=A1F=2,PQ=1,∴A1P=
,
∵MQ⊥A1P,∴MQ=

,∴MF=
。
在△FCQ中,FC=1,QC=2,∠C=60o,由余弦定理得QF=
,
在△FMQ中,
,
∴二面角B-A1P-F的的大小为
。
[注]此题还可以用向量法来解。(略)