?第七節(jié) 翻折與探索性問題
題型一 平面圖形的翻折問題
平面圖形翻折為空間圖形問題重點考查平行、垂直關(guān)系,解題關(guān)鍵是看翻折前后線面位置關(guān)系的變化,根據(jù)翻折的過程找到翻折前后線線位置關(guān)系中沒有變化的量和發(fā)生變化的量,這些不變的和變化的量反映了翻折后的空間圖形的結(jié)構(gòu)特征.
[典例] (2018·全國卷Ⅰ)如圖,四邊形ABCD為正方形,E,F(xiàn)分別為AD,BC的中點,以DF為折痕把△DFC折起,使點C到達點P的位置,且PF⊥BF.
(1)證明:平面PEF⊥平面ABFD;
(2)求DP與平面ABFD所成角的正弦值.
[解] (1)證明:由已知可得BF⊥PF,BF⊥EF,
又PF∩EF=F,所以BF⊥平面PEF.
又BF?平面ABFD,
所以平面PEF⊥平面ABFD.
(2)如圖,作PH⊥EF,垂足為H.由(1)得,PH⊥平面ABFD.
以H為坐標原點,的方向為y軸正方向,||為單位長,建立如圖所示的空間直角坐標系H-xyz.
由(1)可得,DE⊥PE.
又因為DP=2,DE=1,所以PE=.
又PF=1,EF=2,所以PE⊥PF.
所以PH=,EH=.
則H(0,0,0),P,D,
=,=.
又為平面ABFD的法向量,
設(shè)DP與平面ABFD所成角為θ,
則sin θ===.
所以DP與平面ABFD所成角的正弦值為.
[方法技巧] 解決平面圖形翻折問題3步驟

[針對訓練]
1.如圖,矩形ABCD中,AB=2AD,E為邊AB的中點,將△ADE沿直線DE翻轉(zhuǎn)成△A1DE(A1?平面ABCD),若M,O分別為線段A1C,DE的中點,則在△ADE翻轉(zhuǎn)過程中,下列說法錯誤的是(  )
A.與平面A1DE垂直的直線必與直線MB垂直
B.異面直線BM與A1E所成角是定值
C.一定存在某個位置,使DE⊥MO
D.三棱錐A1-ADE外接球半徑與棱AD的長之比為定值
解析:選C 取DC的中點N,連接MN,NB,則MN∥A1D,NB∥DE,∴平面MNB∥平面A1DE,∴MB∥平面A1DE,故A正確;
取A1D的中點F,連接MF,EF,則四邊形EFMB為平行四邊形,則∠A1EF為異面直線BM與A1E所成角,故B正確;
點A關(guān)于直線DE的對稱點為N,則DE⊥平面AA1N,即過O與DE垂直的直線在平面AA1N上,故C錯誤;
三棱錐A1-ADE外接球半徑為AD,故D正確.
2.(2019·寧德一檢)如圖①,在矩形ABCD中,AB=6,AD=2,點F是AC上的動點.現(xiàn)將矩形ABCD沿著對角線AC折成二面角D′-AC-B,如圖②,使得D′B=.

(1)求證:當AF=時,D′F⊥BC;
(2)試求CF的長,使得二面角A-D′F-B的大小為.
解:(1)證明:在矩形ABCD中,連接DF,BF.
∵AD=2,CD=6,
∴AC=4,∠CAB=30°,∠DAC=60°.
在△ADF中,∵AF=,
∴DF2=DA2+AF2-2DA·AF·cos∠DAC=9.
∵DF2+AF2=9+3=DA2,
∴DF⊥AC,即在三棱錐D′-ABC中,D′F⊥AC.
又在△ABF中,BF2=AB2+AF2-2AB·AF·cos∠CAB=21,
∴在△D′FB中,D′F2+FB2=9+21=D′B2,
∴BF⊥D′F.
又∵AC∩FB=F,∴D′F⊥平面ABC.
又BC?平面ABC,∴D′F⊥BC.
(2)在矩形ABCD中,過點D作DO⊥AC于點O,延長DO交AB于點E.易求DE=4,AO=,D′O=3,OE=1,

沿著對角線AC翻折后,由(1)可知,OE,OC,OD′兩兩垂直,
以O(shè)為原點,,,的方向分
別為x軸,y軸,z軸的正方向建立空間直角坐標系O-xyz,
則O(0,0,0),E(1,0,0),D′(0,0,3),B(3,2,0).
∵EO⊥平面AD′F,∴=(1,0,0)為平面AD′F的一個法向量.
設(shè)平面BD′F的一個法向量為n=(x,y,z),F(xiàn)點坐標為F(0,t,0),
則=(-3,-2,3),=(-3,t-2,0).
由得
取y=3,得x=t-2,z=t,
∴n=(t-2,3,t).∴cos=,
即=,
∴t=.∴當CF=OC-OF=時,二面角A-D′F-B的大小是.
題型二 探索性問題
探索性問題一般可以分為判斷存在型、條件探索型、結(jié)論探索型、類比推理型、知識重組型等,立體幾何中的探索性問題一般以判斷存在型為主.這類問題一般的設(shè)問方式是“是否存在……,若存在……,若不存在……”.由于沒有一個明確的結(jié)論,在沒有經(jīng)過深入分析、嚴格計算和推理論證前其存在性是未知的.
[典例] 如圖所示,四邊形ABCD是邊長為1的正方形,MD⊥平面ABCD,NB⊥平面ABCD,且MD=NB=1,E為BC的中點.
(1)求異面直線NE與AM所成角的余弦值;
(2)在線段AN上是否存在點S,使得ES⊥平面AMN?若存在,求線段AS的長;若不存在,請說明理由.
[解] (1)如圖所示,以D為坐標原點,建立空間直角坐標系D-xyz.
依題意得D(0,0,0),A(1,0,0),M(0,0,1),C(0,1,0),B(1,1,0),N(1,1,1),E,
所以=,=(-1,0,1),
因為|cos〈,〉|===.
所以異面直線NE與AM所成角的余弦值為.
(2)假設(shè)在線段AN上存在點S,使得ES⊥平面AMN.
連接AE,SE,如圖所示.
因為=(0,1,1),可設(shè)=λ=(0,λ,λ),又=,
所以=+=.
由ES⊥平面AMN,得即
解得λ=,此時=,||=.
經(jīng)檢驗,當|AS|=時,ES⊥平面AMN.
故線段AN上存在點S,使得ES⊥平面AMN,此時AS=.
[方法技巧]  求解探索性問題的類型及策略
問題類型
求解策略
對命題條件的探索
(1)先猜后證,即先觀察,嘗試給出條件再證明;
(2)先通過命題成立的必要條件探索出命題成立的條件,再證明充分性;
(3)將幾何問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題,探索出命題成立的條件
對命題結(jié)論的探索
(1)探索結(jié)論是什么,常從條件出發(fā),探索出要求的結(jié)論是什么;
(2)探索結(jié)論是否存在,常先假設(shè)結(jié)論存在,再在這個假設(shè)下進行推理論證,尋找與條件相符或矛盾的結(jié)論,相符則存在,矛盾則不存在

[針對訓練]
(2019·天津聯(lián)考)如圖,在四棱錐P-ABCD中,底面ABCD是矩形,平面PAD⊥平面ABCD,且△PAD是邊長為2的等邊三角形,PC=,點M在PC上,且PA∥平面MBD.
(1)求證:M是PC的中點;
(2)求直線PA與MB所成角的正切值;
(3)在PA上是否存在點F,使二面角F-BD-M為直角?若存在,求出的值;若不存在,說明理由.
解:(1)證明:連接AC,交BD于點E,連接ME.
∵四邊形ABCD是矩形,∴E是AC的中點.
又PA∥平面MBD,且ME是平面PAC與平面MDB的交線,
∴PA∥ME,∴M是PC的中點.
(2)記AD的中點為O,連接PO,OE.
∵△PAD為等邊三角形,O為AD中點,∴PO⊥AD.
∵平面PAD⊥平面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,
∴PO⊥平面ABCD.∴OA,OE,OP兩兩垂直.

以O(shè)為原點,OA,OE,OP所在直線分別為x軸,y軸,z軸建立空間直角坐標系(如圖).
∵△PAD是邊長為2的等邊三角形,
∴OP=,OA=OD=1,
∵PO⊥OC,PC=,OP=,
∴OC=,∴DC==3.
則A(1,0,0),B(1,3,0),D(-1,0,0),C(-1,3,0),P(0,0,),M,
∴=(-1,0,),=.
設(shè)直線PA與MB所成角為θ,
則|cos θ|==,∴|tan θ|=,
又∵直線PA與MB所成角∠EMB為銳角,
∴直線PA與MB所成角的正切值為.
(3)設(shè)存在F滿足要求,且=λ,
由=λ,得F(1-λ,0,λ).
設(shè)平面MBD的一個法向量為n=(x,y,z),
∵=(2,3,0),=,
∴即
取x=1,則y=-,z=,∴n=,
同理,平面FBD的一個法向量為m=,
由n·m=0,得1++=0,解得λ=,
故存在點F,使二面角F-BD-M為直角,此時=.
[課時跟蹤檢測]
1.如圖所示,在四邊形ABCD中,AD∥BC,AD=AB,∠BCD=45°,∠BAD=90°.將△ADB沿BD折起,使平面ABD⊥平面BCD,構(gòu)成三棱錐A-BCD,則在三棱錐A-BCD中,下列結(jié)論正確的是(  )

A.平面ABD⊥平面ABC    B.平面ADC⊥平面BDC
C.平面ABC⊥平面BDC D.平面ADC⊥平面ABC
解析:選D ∵在四邊形ABCD中,AD∥BC,AD=AB,∠BCD=45°,∠BAD=90°,∴BD⊥CD.又平面ABD⊥平面BCD,且平面ABD∩平面BCD=BD,故CD⊥平面ABD,則CD⊥AB.又AD⊥AB,AD∩CD=D,AD?平面ADC,CD?平面ADC,故AB⊥平面ADC.又AB?平面ABC,∴平面ADC⊥平面ABC.
2.(2019·亳州模擬)如圖甲所示,在正方形ABCD中,E,F(xiàn)分別是BC,CD的中點,G是EF的中點,現(xiàn)在沿AE,AF及EF把這個正方形折成一個四面體,使B,C,D三點重合,重合后的點記為H,如圖乙所示,那么,在四面體A-EFH中必有(  )

A.AH⊥平面EFH B.AG⊥平面EFH
C.HF⊥平面AEF D.HG⊥平面AEF
解析:選A ∵AH⊥HE,AH⊥HF,且EH∩HF=H,∴AH⊥平面EFH,A正確; ∵過A只有一條直線與平面EFH垂直,∴B不正確;∵AG⊥EF,EF⊥AH,AG∩AH=A,∴EF⊥平面HAG,∵EF?平面AEF,∴平面HAG⊥AEF,∴過H作平面AEF的垂線,一定在平面HAG內(nèi),∴C不正確;∵HG不垂直于AG,∴HG⊥平面AEF不正確,∴D不正確.故選A.
3.(2019·泉州模擬)如圖,一張A4紙的長、寬分別為2a,2a,A,B,C,D分別是其四條邊的中點.現(xiàn)將其沿圖中虛線折起,使得P1,P2,P3,P4四點重合為一點P,從而得到一個多面體.下列關(guān)于該多面體的命題,正確的是________.(寫出所有正確命題的序號)
①該多面體是三棱錐;
②平面BAD⊥平面BCD;
③平面BAC⊥平面ACD;
④該多面體外接球的表面積為5πa2.
解析:由題意得該多面體是一個三棱錐,故①正確;∵AP⊥BP,AP⊥CP,BP∩CP=P,∴AP⊥平面BCD,又∵AP?平面ABD,∴平面BAD⊥平面BCD,故②正確;同理可證平面BAC⊥平面ACD,故③正確;該多面體的外接球半徑R=a,所以該多面體外接球的表面積為5πa2,故④正確.綜上,正確命題的序號為①②③④.
答案:①②③④
4.如圖所示,在四邊形ABCD中,AB=AD=CD=1,BD=,BD⊥CD,將四邊形ABCD沿對角線BD折成四面體A′BCD,使平面A′BD⊥平面BCD,則下列結(jié)論正確的是________.
①A′C⊥BD;②∠BA′C=90°;③四面體A′BCD的體積為.

解析:∵BD⊥CD,平面A′BD⊥平面BCD,平面A′BD∩平面BCD=BD,CD?平面BCD,∴CD⊥平面A′BD,∴CD⊥A′D.∵AB=AD=CD=1,BD=,∴A′C=,BC=,∴A′B2+A′C2=BC2,∴A′B⊥A′C,即∠BA′C=90°,四面體A′BCD的體積V=××12×1=.
答案:②③
5.如圖,矩形ABCD中,E為邊AB的中點,將△ADE沿直線DE翻轉(zhuǎn)成△A1DE.若M為線段A1C的中點,則在△ADE翻轉(zhuǎn)過程中,正確的命題是________.
①MB是定值;
②點M在圓上運動;
③一定存在某個位置,使DE⊥A1C;
④一定存在某個位置,使MB∥平面A1DE.
解析:取DC的中點N,連接MN,NB,則MN∥A1D,NB∥DE,∴平面MNB∥平面A1DE,∵MB?平面MNB,∴MB∥平面A1DE,④正確;∠A1DE=∠MNB,MN=A1D=定值,NB=DE=定值,根據(jù)余弦定理得,MB2=MN2+NB2-2MN·NB·cos∠MNB,所以MB是定值,①正確;B是定點,所以M是在以B為圓心,MB為半徑的圓上,②正確;當矩形ABCD滿足AC⊥DE時存在,其他情況不存在,③不正確.所以①②④正確.
答案:①②④
6.(2019·武漢調(diào)研)在矩形 ABCD中,AB<BC,現(xiàn)將△ABD沿矩形的對角線BD所在的直線進行翻折,在翻折的過程中,給出下列結(jié)論:
①存在某個位置,使得直線AC與直線BD垂直;
②存在某個位置,使得直線AB與直線CD垂直;
③存在某個位置,使得直線AD與直線BC垂直.
其中正確結(jié)論的序號是________.(寫出所有正確結(jié)論的序號)
解析:①假設(shè)AC與BD垂直,過點A作AE⊥BD于E,連接CE.則?BD⊥平面AEC?BD⊥CE,而在平面BCD中,EC與BD不垂直,故假設(shè)不成立,①錯.
②假設(shè)AB⊥CD,∵AB⊥AD,CD∩AD=D,∴AB⊥平面ACD,∴AB⊥AC,由AB<BC可知,存在這樣的等腰直角三角形,使AB⊥CD,故假設(shè)成立,②正確.
③假設(shè)AD⊥BC,∵DC⊥BC,AD∩DC=D,∴BC⊥平面ADC,∴BC⊥AC,即△ABC為直角三角形,且AB為斜邊,而AB<BC,故矛盾,假設(shè)不成立,③錯.綜上,填②.
答案:②
7.(2019·豫南九校質(zhì)量考評)如圖,在四棱錐P-ABCD中,底面ABCD是平行四邊形,AB=AC=2,AD=2,PB=3,PB⊥AC.
(1)求證:平面PAB⊥平面PAC;
(2)若∠PBA=45°,試判斷棱PA上是否存在與點P,A不重合的點E,使得直線CE與平面PBC所成角的正弦值為?若存在,求出的值;若不存在,請說明理由.
解:(1)證明:因為四邊形ABCD是平行四邊形,AD=2,
所以BC=AD=2.又因為AB=AC=2,所以AB2+AC2=BC2,所以AC⊥AB.又因為PB⊥AC,且AB∩PB=B,所以AC⊥平面PAB.因為AC?平面PAC,所以平面PAB⊥平面PAC.
(2)由(1)知AC⊥AB,平面PAB⊥平面ABC,
AC⊥平面PAB.
如圖,分別以AB,AC所在直線為x軸,y軸,平面PAB內(nèi)過點A且與直線AB垂直的直線為z軸,建立空間直角坐標系A(chǔ)-xyz,
則A(0,0,0),B(2,0,0),C(0,2,0),
所以=(0,2,0),=(-2,2,0).
由∠PBA=45°,PB=3,可得P(-1,0,3),
所以=(-1,0,3),=(-3,0,3).
假設(shè)棱PA上存在點E,使得直線CE與平面PBC所成角的正弦值為,
設(shè)=λ(0<λ<1),則=λ=(-λ,0,3λ),=-=(-λ,-2,3λ).
設(shè)平面PBC的法向量為n=(x,y,z),則
即令z=1,可得x=y(tǒng)=1,
所以平面PBC的一個法向量為n=(1,1,1).
設(shè)直線CE與平面PBC所成的角為θ,
則sin θ=|cos〈n,〉|===,
整理得3λ2+4λ=0,
因為0<λ<1,所以3λ2+4λ>0,故3λ2+4λ=0無解,
所以棱PA上不存在與點P,A不重合的點E,使得直線CE與平面PBC所成角的正弦值為.
8.(2019·洛陽尖子生統(tǒng)考)如圖①,在直角梯形ABCD中,AD∥BC,AB⊥BC,BD⊥DC,點E是BC邊的中點,將△ABD沿BD折起,使平面ABD⊥平面BCD,連接AE,AC,DE,得到如圖②所示的幾何體.

(1)求證:AB⊥平面ADC;
(2)若AD=1,二面角C-AB-D的平面角的正切值為,求二面角B-AD-E的余弦值.
解:(1)證明:因為平面ABD⊥平面BCD,平面ABD∩平面BCD=BD,BD⊥DC,
所以DC⊥平面ABD.
因為AB?平面ABD,
所以DC⊥AB.
又因為折疊前后均有AD⊥AB,DC∩AD=D,
所以AB⊥平面ADC.
(2)由(1)知AB⊥平面ADC,
所以二面角C-AB-D的平面角為∠CAD.
又DC⊥平面ABD,AD?平面ABD,
所以DC⊥AD.
依題意tan∠CAD==.
因為AD=1,所以CD=.
設(shè)AB=x(x>0),則BD=.
依題意△ABD∽△DCB,
所以=,即=.
解得x=,故AB=,BD=,BC==3.
法一:如圖所示,建立空間直角坐標系D-xyz,
則D(0,0,0),B(,0,0),C(0,,0),E,A.
所以=,=.
由(1)知平面BAD的一個法向量n=(0,1,0).
設(shè)平面ADE的法向量為m=(x,y,z),
由得
令x=,得y=-,z=-,
所以m=(,-,-)為平面ADE的一個法向量.
所以cos〈n,m〉==-.
由圖可知二面角B-AD-E的平面角為銳角,
所以二面角B-AD-E的余弦值為.

法二:因為DC⊥平面ABD,
所以過點E作EF∥DC交BD于點F,
則EF⊥平面ABD.
因為AD?平面ABD,所以EF⊥AD.
過點F作FG⊥AD于點G,連接GE,
所以AD⊥平面EFG,因此AD⊥GE,
所以二面角B-AD-E的平面角為∠EGF.
由平面幾何的知識求得EF=CD=,F(xiàn)G=AB=,
所以EG==,
所以cos∠EGF==.
所以二面角B-AD-E的余弦值為.
9.(2018·肇慶二模)如圖1,在高為2的梯形ABCD中,AB∥CD,AB=2,CD=5,過A,B分別作AE⊥CD,BF⊥CD,垂足分別為E,F(xiàn).已知DE=1,將梯形ABCD沿AE,BF同側(cè)折起,得空間幾何體ADE-BCF,如圖2.

(1)若AF⊥BD,證明:DE⊥BE;
(2)若DE∥CF,CD=,在線段AB上是否存在點P,使得CP與平面ACD所成角的正弦值為?并說明理由.
解:(1)證明:由已知得四邊形ABFE是正方形,且邊長為2,∴AF⊥BE.
∵AF⊥BD,BE∩BD=B,∴AF⊥平面BDE.
又DE?平面BDE,∴AF⊥DE.
∵AE⊥DE,AE∩AF=A,
∴DE⊥平面ABFE.
又BE?平面ABFE,∴DE⊥BE.

(2)當P為AB的中點時滿足條件.理由如下:
∵AE⊥DE,AE⊥EF,DE∩EF=E,∴AE⊥平面DEFC.
如圖,過E作EG⊥EF交DC于點G,
可知GE,EA,EF兩兩垂直,以E為坐標原點,以,,分別為x軸,y軸,z軸的正方向建立空間直角坐標系,則A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,1,),D,=(-2,1,),=.
設(shè)平面ACD的法向量為n=(x,y,z),
則即
令x=1,得n=(1,-1,).
設(shè)=λ,則P,λ∈(0,+∞),
可得=.
設(shè)CP與平面ACD所成的角為θ,
則sin θ=|cos〈CP,n〉|==,
解得λ=1或λ=-(舍去),
∴P為AB的中點時,滿足條件.



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