题目内容


如图1­4,在棱长为2的正方体ABCD­A1B1C1D1中,E,F,M,N分别是棱AB,AD,A1B1,A1D1的中点,点P,Q分别在棱DD1,BB1上移动,且DP=BQ=λ(0<λ<2).

(1)当λ=1时,证明:直线BC1∥平面EFPQ.

(2)是否存在λ,使面EFPQ与面PQMN所成的二面角为直二面角?若存在,求出λ的值;若不存在,说明理由.

图1­4


解:方法一(几何方法):

(1)证明:如图①,连接AD1,由ABCD­A1B1C1D1是正方体,知BC1∥AD1.

当λ=1时,P是DD1的中点,又F是AD的中点,所以FP∥AD1,所以BC1∥FP.

而FP⊂平面EFPQ,且BC1⊄平面EFPQ,故直线BC1∥平面EFPQ.

图①         图②   

(2)如图②,连接BD.因为E,F分别是AB,AD的中点,所以EF∥BD,且EF=BD.

又DP=BQ,DP∥BQ,

所以四边形PQBD是平行四边形,故PQ∥BD,且PQ=BD,从而EF∥PQ,且EF=PQ.

在Rt△EBQ和Rt△FDP中,因为BQ=DP=λ,BE=DF=1,

于是EQ=FP=,所以四边形EFPQ也是等腰梯形.

同理可证四边形PQMN也是等腰梯形.

分别取EF,PQ,MN的中点为H,O,G,连接OH,OG,

则GO⊥PQ,HO⊥PQ,而GO∩HO=O,

故∠GOH是面EFPQ与面PQMN所成的二面角的平面角.

若存在λ,使面EFPQ与面PQMN所成的二面角为直二面角,则∠GOH=90°.

连接EM,FN,则由EF∥MN,且EF=MN知四边形EFNM是平行四边形.

连接GH,因为H,G是EF,MN的中点,

所以GH=ME=2.

在△GOH中,GH2=4,OH2=1+λ2-=λ2+,

OG2=1+(2-λ)2-=(2-λ)2+,

由OG2+OH2=GH2,得(2-λ)2++λ2+=4,解得λ=1±,

故存在λ=1±,使面EFPQ与面PQMN所成的二面角为直二面角.

方法二(向量方法):

以D为原点,射线DA,DC,DD1分别为x,y,z轴的正半轴建立如图③所示的空间直角坐标系.由已知得B(2,2,0),C1(0,2,2),E(2,1,0),F(1,0,0),P(0,0,λ).

图③    

=(-2,0,2),FP=(-1,0,λ),FE=(1,1,0).

(1)证明:当λ=1时,FP=(-1,0,1),

因为=(-2,0,2),

所以=2,即BC1∥FP.

而FP⊂平面EFPQ,且BC1⊄平面EFPQ,故直线BC1∥平面EFPQ.

(2)设平面EFPQ的一个法向量为n=(x,y,z),则由可得

于是可取n=(λ,-λ,1).

同理可得平面MNPQ的一个法向量为m=(λ-2,2-λ,1).

若存在λ,使面EFPQ与面PQMN所成的二面角为直二面角,

则m·n=(λ-2,2-λ,1)·(λ,-λ,1)=0,

即λ(λ-2)-λ(2-λ)+1=0,解得λ=1±.

故存在λ=1±,使面EFPQ与面PQMN所成的二面角为直二面角.


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