题目内容
12.(1)若G为线段DF的中点,求证:EG∥平面ABCD;
(2)线段DF上是否存在一点N,使得直线BN与平面FCD所成角的余弦值等于$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$?若存在,请指出点N的位置;若不存在,请说明理由.
分析 (1)以B为原点,BA,BF,BC分别为x轴,y轴,z轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,求出平面ABCD的一个法向量,通过$\overrightarrow{EG}•\overrightarrow n=(-1,0,\frac{1}{2})•(0,1,0)=0$,推出$\overrightarrow{EG}⊥\overrightarrow n$,即可证明EG∥平面ABCD.
(2)当点N与点D重合时,直线BN与平面FCD所成角的余弦值等于$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$.理由如下:直线BN与平面FCD所成角的余弦值为$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$,即直线BN与平面FCD所成角的正弦值为$\frac{2}{5}$,求出平面FCD的法向量,设线段FD上存在一点N,使得直线BN与平面FCD所成角的正弦值等于$\frac{2}{5}$,设$\overrightarrow{FN}=λ\overrightarrow{FD}(0≤λ≤1)$,通过向量的数量积,转化求解λ,推出当N点与D点重合时,直线BN与平面FCD所成角的余弦值为$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$.
解答
解:(1)证明:因为DA⊥AE,DA⊥AB,AB∩AE=A,故DA⊥平面ABFE,
故CB⊥平面ABFE,以B为原点,BA,BF,BC分别为x轴,y轴,z轴正方向,
建立如图所示的空间直角坐标系,则F(0,2,0),D(2,0,1),$G(1,1,\frac{1}{2})$,E(2,1,0),C(0,0,1),所以$\overrightarrow{EG}=(-1,0,\frac{1}{2})$,易知平面ABCD的一个法向量$\overrightarrow n=(0,1,0)$,所以$\overrightarrow{EG}•\overrightarrow n=(-1,0,\frac{1}{2})•(0,1,0)=0$,所以$\overrightarrow{EG}⊥\overrightarrow n$,又EG?平面ABCD,所以EG∥平面ABCD.
(2)当点N与点D重合时,直线BN与平面FCD所成角的余弦值等于$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$.理由如下:
直线BN与平面FCD所成角的余弦值为$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$,即直线BN与平面FCD所成角的正弦值为$\frac{2}{5}$,因为$\overrightarrow{FD}=(2,-2,1),\overrightarrow{CD}=(2,0,0)$,设平面FCD的法向量为$\overrightarrow{n_1}=({x_1},{y_1},{z_1})$,
由$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{n_1}•\overrightarrow{FD}=0\\ \overrightarrow{n_1}•\overrightarrow{CD}=0\end{array}\right.$,得$\left\{\begin{array}{l}2{x_1}-2{y_1}+{z_1}=0\\ 2{x_1}=0\end{array}\right.$,取y1=1得平面FCD的一个法向量$\overrightarrow{n_1}=(0,1,2)$
假设线段FD上存在一点N,使得直线BN与平面FCD所成角的正弦值等于$\frac{2}{5}$,
设$\overrightarrow{FN}=λ\overrightarrow{FD}(0≤λ≤1)$,则$\overrightarrow{FN}=λ(2,-2,1)=(2λ,-2λ,λ)$,$\overrightarrow{BN}=\overrightarrow{BF}+\overrightarrow{FN}=(2λ,2-2λ,λ)$,
所以$sinα=cos<\overrightarrow{BN},\overrightarrow{n_1}>=\frac{{\overrightarrow{|BN}•\overrightarrow{n_1}|}}{{|\overrightarrow{BN}||\overrightarrow{n_1}|}}=\frac{2}{{\sqrt{5}•\sqrt{{{(2λ)}^2}+{{(2-2λ)}^2}+{λ^2}}}}=\frac{2}{{\sqrt{5}•\sqrt{9{λ^2}-8λ+4}}}=\frac{2}{5}$,
所以9λ2-8λ-1=0,解得λ=1或$λ=-\frac{1}{9}$(舍去)
因此,线段DF上存在一点N,当N点与D点重合时,直线BN与平面FCD所成角的余弦值为$\frac{{\sqrt{21}}}{5}$.
点评 本题考查空间向量的应用,直线与平面平行以及直线与平面所成角的求法,考查数形结合以及转化思想的应用.
| 年份 x | 1950 | 1951 | 1952 | 1953 | 1954 | 1955 | 1956 | 1957 | 1958 |
| 人数 Y/万人 | 55 196 | 56 300 | 57 482 | 58 796 | 60 266 | 61 560 | 62 828 | 64 563 | 65 994 |
| A. | 自2008年起,每年的生活垃圾无害化处理量和年份代码正相关 | |
| B. | 自2008年起,每年的生活垃圾无害化处理量大约增加0.10万吨 | |
| C. | 由此模型可知2016年该地区生活垃圾无害化处理量是1.82万吨 | |
| D. | 由此模型预测出2017年该地区生活垃圾无害化处理量约为1.92万吨 |
| A. | (1-sin1,1-cos1) | B. | (1+sin1,1-cos1) | C. | (1-sin1,1+cos1) | D. | (1+sin1,1+cos1) |
| A. | 2 | B. | $\sqrt{3}$ | C. | 1 | D. | $\frac{\sqrt{3}}{2}$ |