题目内容

【题目】如图,在正方形中,点是的中点,点是的中点,将分别沿折起,使两点重合于,连接.

(1)求证:;

(2)点是上一点,若平面,则为何值?并说明理由.

(3)若,求二面角的余弦值.

【答案】(1)证明见详解;(2),理由见详解;(3).

【解析】

(1)通过证明EF平面PBD,即可证明;

(2)通过线面平行,将问题转化为线线平行,在平面图形中根据线段比例进而求解;

(3)根据(1)(2)所得,找到二面角的平面角,然后再进行求解.

(1)证明:因为四边形ABCD为正方形,

故DAAE,DC,即折叠后的DP

又因为平面PEF,平面PEF,

故DP平面PEF,又平面PEF,故.

在正方形ABCD中,容易知EF,

又平面PBD,平面PBD,

故EF平面PBD,又平面PBD

故,即证.

(2)连接BD交EF于O,连接OM,作图如下

因为//平面,平面PBD,平面PBD平面=MO

故//MO

在中,由,以及E、F分别是正方形ABCD两边的中点,

故可得即为所求.

(3)过M作MH垂直于BD,垂足为H,连接OP,作图如下:

由(1)可知:EF平面PBD,因为MH平面PBD,故EF

又,平面EDF,BD平面EDF,故MH平面EDF,

又因为BDEF,故即为所求二面角的平面角.

设正方形ABCD的边长为4,因为,故PM=1,

故在中,PM=1,EP=2,根据勾股定理可得ME

同理:在中,PM=1,PF=2,根据勾股定理可得MF=

又EF=

故在等腰三角形EMF中,因为O是EF的中点,故MO=.

由(1)可知,PD平面PEF,又OP平面PEF,故PDOP,

则,故可得,

又在中,PE=PF=2,EF=2,O为斜边EF上的中点,故OP=,

又因为MD=3,OD=

故可解得MH=

故在中,MH=1,MO=,由勾股定理可得OH=

故.

故二面角的余弦值为.

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