题目内容

如图1,,,过动点A作,垂足在线段上且异于点,连接,沿将△折起,使(如图2所示).

(1)当的长为多少时,三棱锥的体积最大;

(2)当三棱锥的体积最大时,设点,分别为棱、的中点,试在棱上确定一点,使得,并求与平面所成角的大小.

 

【答案】

(1)时, 三棱锥的体积最大.(2)

【解析】

试题分析:(1)解法1:在如图1所示的△中,设,则.

由,知,△为等腰直角三角形,所以.

由折起前知,折起后(如图2),,,且,

所以平面.又,所以.于是

    

,

当且仅当,即时,等号成立   

故当,即时, 三棱锥的体积最大.   

解法2:同解法1,得.  

令,由,且,解得.

当时,;当时,.

所以当时,取得最大值.

故当时, 三棱锥的体积最大.

(2)解法1:以D为原点,建立如图a所示的空间直角坐标系D-.

由(Ⅰ)知,当三棱锥A-BCD的体积最大时,BD=1,AD=CD=2.

于是可得D(0,0,0,),B(1,0,0),C(0,2,0),A(0,0,2)M(0,1,1)E(,1,0),且BM=(-1,1,1).    

设N(0,, 0),则EN=,-1,0).因为EN⊥BM等价于EN·BM=0,即(,-1,0)·(-1,1,1)=+-1=0,故=,N(0, ,0) 

所以当DN=时(即N是CD的靠近点D的一个四等分点)时,EN⊥BM.

设平面BMN的一个法向量为n=(,,),由可取=(1,2,-1) 

设与平面所成角的大小为,则由,,可得

,即.   

故与平面所成角的大小为     

解法2:由(Ⅰ)知,当三棱锥的体积最大时,,.

如图b,取的中点,连结,,,则∥.

由(Ⅰ)知平面,所以平面.

如图c,延长至P点使得,连,,则四边形为正方形,

所以. 取的中点,连结,又为的中点,则∥,

所以. 因为平面,又面,所以.

又,所以面. 又面,所以.

因为当且仅当,而点F是唯一的,所以点是唯一的.

即当(即是的靠近点的一个四等分点),.      

连接,,由计算得,

所以△与△是两个共底边的全等的等腰三角形,

如图d所示,取的中点,连接,,

则平面.在平面中,过点作于,

则平面.故是与平面所成的角.

在△中,易得,所以△是正三角形,

故,即与平面所成角的大小为 

考点:用空间向量求直线与平面的夹角;棱柱、棱锥、棱台的体积.

点评:本题主要考查了线面垂直的判定,折叠问题中的不变量,空间线面角的计算方法,空间向量、空间直角坐标系的运用,有一定的运算量,属中档题

 

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