题目内容

在图(1)所示的长方形ABCD中,AD=2AB=2,E、F分别为AD、BC的中点,M、N两点分别在AF和CE上运动,且AM=EN=a(0<a<
2
)
.把长方形ABCD沿EF折成大小为θ的二面角A-EF-C,如图(2)所示,其中θ∈(0,
π
2
]

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(1)当θ=45°时,求三棱柱BCF-ADE的体积;
(2)求证:不论θ怎么变化,直线MN总与平面BCF平行;
(3)当θ=900且a=
2
2
.时,求异面直线MN与AC所成角的余弦值.

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(1)依题意得EF⊥DE,EF⊥AE,∴EF⊥平面ADE,∠DEA=θ.
由θ=45°得,S△ADE=
1
2
DE•EAsin45°=
2
4
,
∴VBCF-ADE=S△ADE•EF=
2
4
.
(2)证法一:过点M作MM1⊥BF交BF于M1,
过点N作NN1⊥CF交BF于N1,连接M1N1,
∵MM1∥AB,NN1∥EF∴MM1∥NN1
又∵
MM1
AB
=
FM
FA
=
CN
CE
=
NN1
EF
,∴MM1=NN1
∴四边形MNN1M1为平行四边形,
∴MN∥N1M1,又MN?面BCF,N1M1?面BCF,∴MN∥面BCF.
证法二:过点M作MG⊥EF交EF于G,连接NG,则
CN
NE
=
FM
MA
=
FG
GE
,∴NG∥CF.
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又NG?面BCF,CF?面BCF,∴NG∥面BCF,
同理可证得MG∥面BCF,又MG∩NG=G,∴平面MNG∥平面BCF,
∵MN?平面MNG,∴MN∥面BCF.
(3)证法一:取CF的中点为Q,连接MQ、NQ,则MQ∥AC,
∴∠NMQ或其补角为异面直线MN与AC所成的角,
∵θ=900且a=
2
2
.∴NQ=
1
2
,MQ=
(
1
2
)
2
+(
2
2
)
2
=
3
2
∴MN=
2
2
,--
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--
∴cos∠NMQ=
QM2+MN2-NQ2
2MN•QM
=
6
3
.
即MN与AC所成角的余弦值为
6
3
.
证法二:∵θ=900且a=
2
2
.
分别以FE、FB、FC所在直线为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系.A(1,1,0),C(0,0,1),M(
1
2
,
1
2
,0),N(
1
2
,0,
1
2
),得
AC
=(-1,-1,1),
MN
=(0,-
1
2
,
1
2
)
,
∴cos<
AC
,
MN
>=
1
3
•
2
2
=
6
3
,
所以与AC所成角的余弦值为
6
3
.
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