Question

【题目】如图，在以A，B，C，D，E，F为顶点的五面体中，面ABEF为正方形，AF=2FD，∠AFD=90°，且二面角D﹣AF﹣E与二面角C﹣BE﹣F都是60°．

（1）证明平面ABEF⊥平面EFDC；
（2）求二面角E﹣BC﹣A的余弦值．

Answer 1

【答案】
（1）

证明：∵ABEF为正方形，∴AF⊥EF．

∵∠AFD=90°，∴AF⊥DF，

∵DF∩EF=F，

∴AF⊥平面EFDC，

∵AF平面ABEF，

∴平面ABEF⊥平面EFDC；

（2）

解：

由AF⊥DF，AF⊥EF，

可得∠DFE为二面角D﹣AF﹣E的平面角；

由CE⊥BE，BE⊥EF，

可得∠CEF为二面角C﹣BE﹣F的平面角．

可得∠DFE=∠CEF=60°．

∵AB∥EF，AB平面EFDC，EF平面EFDC，

∴AB∥平面EFDC，

∵平面EFDC∩平面ABCD=CD，AB平面ABCD，

∴AB∥CD，

∴CD∥EF，

∴四边形EFDC为等腰梯形．

以E为原点，建立如图所示的坐标系，设FD=a，

则E（0，0，0），B（0，2a，0），C（ ，0， a），A（2a，2a，0），

∴ =（0，2a，0）， =（ ，﹣2a， a）， =（﹣2a，0，0）

设平面BEC的法向量为 =（x1，y1，z1），则 ，

则 ，取 =（ ，0，﹣1）．

设平面ABC的法向量为 =（x2，y2，z2），则 ，

则 ，取 =（0， ，4）．

设二面角E﹣BC﹣A的大小为θ，则cosθ=﹣

=﹣ = ，

则二面角E﹣BC﹣A的余弦值为﹣ ．

【解析】与二面角有关的立体几何综合题.（1）证明AF⊥平面EFDC，利用平面与平面垂直的判定定理证明平面ABEF⊥平面EFDC；（2）证明四边形EFDC为等腰梯形，以E为原点，建立如图所示的坐标系，求出平面BEC、平面ABC的法向量，代入向量夹角公式可得二面角E﹣BC﹣A的余弦值.本题考查平面与平面垂直的证明，考查用空间向量求平面间的夹角，建立空间坐标系将二面角问题转化为向量夹角问题是解答的关键．