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数学
题目

18.(12分)-|||-如图,四面体ABC D中, bot CD , =CD,-|||-angle ADB=angle BDC, E为AC的中点.-|||-(1)证明:平面 bot 平面ACD;-|||-(2)设 AB=BD=2 . angle ACB=(60)^circ , 点F在BD上;-|||-当 Delta AFC 的面积最小时,求CF与平面ABD所成的角的正-|||-弦值.-|||-D-|||-F-|||-1-|||-B-|||-A

题目解答

答案

【答案】

$\left(1\right)$见解析;$\left(2\right)$$\dfrac{4\sqrt{3}}{7}$

【解析】

$\left(1\right)$$\because AD=CD$,$E$为$AC$的中点,

$\therefore DE\bot AC$.

$\because AD=CD$,$\angle ADB=\angle BDC$,$BD=BD$,

$\therefore \triangle ABD\ykcong \triangle CBD$,

$\therefore AB=CB$.

又$\because $$E$为$AC$的中点,

$\therefore BE\bot AC$.

又$\because DE\cap BE=E$,$DE$,$BE\subset $平面$BED$,

$\therefore AC\bot $平面$BED$.

$\because AC\subset $平面$ACD$,

$\therefore $平面$ACD\bot $平面$BED$.

$\left(2\right)$$\because AD=CD$,$\angle ADB=\angle BDC$,$DF=DF$,

$\therefore \triangle AFD\ykcong \triangle CFD$,

$\therefore AF=CF$.

连接$EF$.

$\because E$为$AC$的中点,

$\therefore EF\bot AC$.

由$\left(1\right)$可知$AB=CB$.

又$\because \angle ACB={60}^{\circ }$,$AB=2$,

$\therefore \triangle ABC$为边长为$2$的等边三角形,

$\therefore AC=2$,

$BE=AB\sin {60}^{\circ }=2\times \dfrac{\sqrt{3}}{2}=\sqrt{3}$.

$\because AD\bot CD$,$E$为$AC$的中点,

$\therefore DE=\dfrac{1}{2}AC=\dfrac{1}{2}\times 2=1$,

$\therefore D{E}^{2}+B{E}^{2}=B{D}^{2}$,

$\therefore DE\bot BE$,

$\therefore {S}_{\triangle AFC}=\dfrac{1}{2}AC\cdot EF=\dfrac{1}{2}\times 2\cdot EF=EF$.

要使得$\triangle AFC$的面积最小,只需$EF$最小,即$EF\bot BD$.

此时在$Rt\triangle BED$中,$EF=\dfrac{BE\cdot DE}{BD}=\dfrac{\sqrt{3}\times 1}{2}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$,

则$DF=\sqrt{D{E}^{2}-E{F}^{2}}=\sqrt{{1}^{2}-{\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)}^{2}}=\dfrac{1}{2}$,

故$DF=\dfrac{1}{4}DB$.

$\because DE\bot AC$,$DE\bot BE$,$AC\cap BE=E$,$AC$,$BE\subset $平面$ABC$,

$\therefore DE\bot $平面$ABC$.

以$E$为坐标原点,$EA$,$EB$,$ED$所在直线分别为$x$轴,$y$轴,$z$轴,

建立如图所示空间直角坐标系,

则$A\left(1,0,0\right)$,$B\left(0,\sqrt{3},0\right)$,$C\left(-1,0,0\right)$,$D\left(0,0,1\right)$,

则$\overrightarrow{AB}=\left(-1,\sqrt{3},0\right)$,$\overrightarrow{AD}=\left(-1,0,1\right)$.

设平面$ABD$的法向量为$\overrightarrow{a}=\left(x,y,z\right)$,

则$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{AB}\cdot \overrightarrow{a}=-x+\sqrt{3}y=0\\ \overrightarrow{AD}\cdot \overrightarrow{a}=-x+z=0\end{array}\right.$

不妨取$y=1$,则$x=z=\sqrt{3}$,故$\overrightarrow{a}=\left(\sqrt{3},1,\sqrt{3}\right)$.

$\overrightarrow{CF}=\overrightarrow{CD}+\overrightarrow{DF}=\overrightarrow{CD}+\dfrac{1}{4}\overrightarrow{DB}$

$=\left(1,0,1\right)+\dfrac{1}{4}\left(0,\sqrt{3},-1\right)=\left(1,\dfrac{\sqrt{3}}{4},\dfrac{3}{4}\right)$.

设$CF$与平面$ABD$所成角的大小为$\theta $,

则$\sin \theta =\left|\cos \lt \overrightarrow{CF},\overrightarrow{a}\gt \right|=\dfrac{\left|\overrightarrow{CF}\cdot \overrightarrow{a}\right|}{\left|\overrightarrow{CF}\right|\cdot \left|\overrightarrow{a}\right|}$

$=\dfrac{\left|1\times \sqrt{3}+\frac{\sqrt{3}}{4}\times 1+\frac{3}{4}\times \sqrt{3}\right|}{\sqrt{{1}^{2}+{\left(\frac{\sqrt{3}}{4}\right)}^{2}+{\left(\frac{3}{4}\right)}^{2}}\times \sqrt{{\left(\sqrt{3}\right)}^{2}+{1}^{2}+{\left(\sqrt{3}\right)}^{2}}}$

$=\dfrac{4\sqrt{3}}{7}$,

即$CF$与平面$ABD$所成角的正弦值为$\dfrac{4\sqrt{3}}{7}$.

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