Question

4．已知四邊形ABCD中，AB∥CD，AD=AB=BC=$\frac{1}{2}$CD=2，E為DC中點(diǎn)，連接AE，將△AED沿AE翻折到△AED₁，使得二面角D₁-AE-D的平面角的大小為θ．
（Ⅰ）證明：BD₁⊥AE；
（Ⅱ）已知二面角D₁-AB-C的平面角的余弦值為$\frac{\sqrt{5}}{5}$，求θ的大小及CD₁的長(zhǎng)．

Answer 1

分析 （Ⅰ）取AE中點(diǎn)H，通過(guò)AD₁=AE=D₁E、AB=AE=BE，及線面垂直的判定定理與性質(zhì)定理即得結(jié)論；
（Ⅱ）以H為坐標(biāo)原點(diǎn)，以HA、HB分別為x、y軸建立空間直角坐標(biāo)系，通過(guò)平面ABD₁的法向量與平面ABC的一個(gè)法向量的夾角的余弦值為$\frac{\sqrt{5}}{5}$，即得結(jié)論．

解答 （Ⅰ）證明：取AE中點(diǎn)H，
∵AD₁=AE=D₁E，AB=AE=BE，
∴D₁H⊥AE，BH⊥AE，
∴AE⊥平面HBD₁，
∴AE⊥BD₁；
（Ⅱ）解：以H為坐標(biāo)原點(diǎn)，以HA、HB分別為x、y軸建立空間直角坐標(biāo)系如圖，
則A（1，0，0），B（0，$\sqrt{3}$，0），D₁（0，-$\sqrt{3}$cosθ，$\sqrt{3}$sinθ），
∴$\overrightarrow{AB}$=（-1，$\sqrt{3}$，0），$\overrightarrow{B{D}_{1}}$=（0，-$\sqrt{3}$-$\sqrt{3}$cosθ，$\sqrt{3}$sinθ），
設(shè)平面ABD₁的法向量為$\overrightarrow{n}$=（x，y，z），
則$\overrightarrow{AB}•\overrightarrow{n}$=$-x+\sqrt{3}y=0$，
$\overrightarrow{B{D}_{1}}•\overrightarrow{n}$=（-$\sqrt{3}$-$\sqrt{3}$cosθ）y+（$\sqrt{3}$sinθ）z=0，
∴$\overrightarrow{n}$=（$\sqrt{3}$sinθ，sinθ，1+cosθ），
同理可得平面ABC的一個(gè)法向量$\overrightarrow{m}$=（0，0，1），
∵二面角D₁-AB-C的平面角的余弦值為$\frac{\sqrt{5}}{5}$，
∴$\frac{1+cosθ}{\sqrt{3si{n}^{2}θ+si{n}^{2}θ+（1+cosθ）^{2}}}$=$\frac{\sqrt{5}}{5}$，
解得θ=$\frac{π}{2}$，CD₁=$\sqrt{10}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查空間中線線垂直的判定，考查求二面角的大小，注意解題方法的積累，屬于中檔題．