转着看 · 换个机位再判断
矩形 A B C D ABCD A B C D ⊥ \perp ⊥ 直角梯形 B E F C BEFC B E F C (A D = 3 AD = \sqrt{3} A D = 3 ,E F = 2 EF = 2 E F = 2 ⟹ B E = 3 BE = 3 B E = 3 ,C F = 4 CF = 4 C F = 4 )· (Ⅰ) A E ∥ AE \parallel A E ∥ 平面 D C F DCF D C F · (Ⅱ) A B = 9 2 AB = \frac{9}{2} A B = 2 9 时二面角 A - E F - C = 60 ∘ A\text{-}EF\text{-}C = 60^\circ A - E F - C = 6 0 ∘
机位 1 题图角度 2 正对 DCF 3 沿 DCF 看 4 俯视 自由视角
拖动旋转 · 滚轮缩放(触屏双指)
冷启动:两块图形,一块被钉死,一块只剩一条自由边
题面给的东西看着零散,其实是分给两块的:
给谁的 条件 矩形 A B C D ABCD A B C D A D = 3 AD=\sqrt{3} A D = 3 —— 于是公共边 B C = 3 BC=\sqrt{3} B C = 3 ;A B AB A B 没给 ,它就是要求的那条梯形 B E F C BEFC B E F C B E ∥ C F BE\parallel CF B E ∥ C F 、∠ B C F = 90 ∘ \angle BCF=90^{\circ} ∠ B C F = 9 0 ∘ 、∠ C E F = 90 ∘ \angle CEF=90^{\circ} ∠ C E F = 9 0 ∘ 、E F = 2 EF=2 E F = 2 两块之间 两个平面互相垂直(交线是 B C BC B C )、二面角 A - E F - C = 60 ∘ A\text{-}EF\text{-}C=60^{\circ} A - E F - C = 6 0 ∘
把这张表读一遍就知道该按什么次序动手:
梯形那一块一个待定量都没有。 B C = 3 BC=\sqrt{3} B C = 3 由矩形带过来,再加两个直角与 E F = 2 EF=2 E F = 2 ,
四个条件足以把 B E BE B E 、C F CF C F 全解出来。它是已经钉死 的一块。
矩形那一块只剩 A B AB A B 一条自由边。 它对梯形那一块的形状毫无影响——A B AB A B 取多长,
底面还是同一个梯形。A B AB A B 唯一能改变的是竖起来有多高 ,也就是那个二面角 有多大。
所以次序是死的:先把梯形解干净,再回头用 60 ∘ 60^{\circ} 6 0 ∘ 解 A B AB A B 。 反过来做(先盯着 A B AB A B )
会发现每一步都要用到还没求出来的 B E BE B E 、C F CF C F ,卡住是必然的。
第(Ⅰ)问与长度完全无关——它只用到两组平行,A B AB A B 取多长都成立。这一点值得先记住:
第(Ⅰ)问不需要第(Ⅱ)问的任何结果,第(Ⅱ)问也用不上第(Ⅰ)问的结论 ,两问互不依赖。
下面三条解法各走各的,每条都从头把梯形解一遍(三次用的是三个不同的工具,正好互相印证)。
解法一:过 E E E 作 E G ⊥ C F EG\perp CF E G ⊥ C F :一个平行四边形答第(Ⅰ)问,一次三垂线答第(Ⅱ)问
这条辅助线一举两得 :作 E G ⊥ C F EG\perp CF E G ⊥ C F 于 G G G ,第(Ⅰ)问要的平行四边形与第(Ⅱ)问要的梯形尺寸,
都从它身上掉下来。
① 先把这条辅助线的性质写清楚。
B E ∥ C F BE\parallel CF B E ∥ C F ,∠ B C F = 90 ∘ \angle BCF=90^{\circ} ∠ B C F = 9 0 ∘ 即 B C ⊥ C F BC\perp CF B C ⊥ C F ,又 E G ⊥ C F EG\perp CF E G ⊥ C F ,故 E G ∥ B C EG\parallel BC E G ∥ B C ;
于是四边形 B C G E BCGE B C GE 四个角都是直角,是矩形 。由此
E G = B C = A D = 3 , C G = B E . EG=BC=AD=\sqrt{3},\qquad CG=BE . E G = B C = A D = 3 , C G = B E .
②(Ⅰ)A E ∥ AE\parallel A E ∥ 平面 D C F DCF D C F 。
A B C D ABCD A B C D 是矩形,故 A D ∥ B C AD\parallel BC A D ∥ B C 且 A D = B C AD=BC A D = B C ;上面刚得到 E G ∥ B C EG\parallel BC E G ∥ B C 且 E G = B C EG=BC E G = B C 。
两者一比:A D ∥ E G AD\parallel EG A D ∥ E G 且 A D = E G AD=EG A D = E G ,所以四边形 A D G E ADGE A D GE 是平行四边形 ,从而
A E ∥ D G . AE\parallel DG . A E ∥ D G .
而 D G ⊂ DG\subset D G ⊂ 平面 D C F DCF D C F (D D D 、G G G 都在这个平面上:G G G 在直线 C F CF C F 上),A E ⊄ AE\not\subset A E ⊂ 平面 D C F DCF D C F
(若 A E AE A E 在这个平面内,则 A A A 也在,但 A A A 到平面 D C F DCF D C F 的距离就是 B C = 3 ≠ 0 BC=\sqrt{3}\neq0 B C = 3 = 0 )。
由线面平行的判定定理 ,
A E ∥ 平面 D C F . AE\parallel\text{平面 }DCF . A E ∥ 平面 D C F .
③ 把梯形的两条腰解出来。 在 R t △ E G F \mathrm{Rt}\triangle EGF Rt △ E GF (直角在 G G G )里,E G = 3 EG=\sqrt{3} E G = 3 、E F = 2 EF=2 E F = 2 ,故
F G = E F 2 − E G 2 = 4 − 3 = 1 , tan ∠ E F G = E G F G = 3 , ∠ E F G = 60 ∘ . FG=\sqrt{EF^{2}-EG^{2}}=\sqrt{4-3}=1,\qquad \tan\angle EFG=\frac{EG}{FG}=\sqrt{3},\quad \angle EFG=60^{\circ} . F G = E F 2 − E G 2 = 4 − 3 = 1 , tan ∠ E F G = F G E G = 3 , ∠ E F G = 6 0 ∘ .
∠ E F G \angle EFG ∠ E F G 就是 ∠ C F E \angle CFE ∠ C F E (G G G 在线段 C F CF C F 上)。再在 R t △ C E F \mathrm{Rt}\triangle CEF Rt △ C E F (∠ C E F = 90 ∘ \angle CEF=90^{\circ} ∠ C E F = 9 0 ∘ )里,
E F EF E F 是 ∠ C F E \angle CFE ∠ C F E 的邻边、C F CF C F 是斜边:
C F = E F cos ∠ C F E = 2 cos 60 ∘ = 4 , B E = C G = C F − F G = 4 − 1 = 3. CF=\frac{EF}{\cos\angle CFE}=\frac{2}{\cos 60^{\circ}}=4,\qquad BE=CG=CF-FG=4-1=3 . C F = cos ∠ C F E E F = cos 6 0 ∘ 2 = 4 , B E = C G = C F − F G = 4 − 1 = 3.
④(Ⅱ)把二面角 的平面角作出来。 先立起那条竖线:平面 A B C D ⊥ ABCD\perp A B C D ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C ,
两平面的交线是 B C BC B C ;A B ⊂ AB\subset A B ⊂ 平面 A B C D ABCD A B C D ,且 A B ⊥ B C AB\perp BC A B ⊥ B C (矩形的邻边)。由面面垂直的性质定理 ,
A B ⊥ 平面 B E F C . AB\perp\text{平面 }BEFC . A B ⊥ 平面 B E F C .
在底面内过 B B B 作 B H ⊥ E F BH\perp EF B H ⊥ E F ,垂足 H H H 。由 A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C 得 A B ⊥ E F AB\perp EF A B ⊥ E F ,
又 B H ⊥ E F BH\perp EF B H ⊥ E F ,故 E F ⊥ EF\perp E F ⊥ 平面 A B H ABH A B H ,从而 E F ⊥ A H EF\perp AH E F ⊥ A H 。两条边 H A HA H A 、H B HB H B 都垂直于棱 E F EF E F ——
按定义,∠ A H B \angle AHB ∠ A H B 就是 二面角 A - E F - C A\text{-}EF\text{-}C A - E F - C 的平面角,即 ∠ A H B = 60 ∘ \angle AHB=60^{\circ} ∠ A H B = 6 0 ∘ 。
⑤ 量出 B H BH B H ,解那个直角三角形 。 B C G E BCGE B C GE 是矩形,故 ∠ G E B = 90 ∘ \angle GEB=90^{\circ} ∠ GE B = 9 0 ∘ ;
又 ∠ G E F = 90 ∘ − ∠ E F G = 30 ∘ \angle GEF=90^{\circ}-\angle EFG=30^{\circ} ∠ GE F = 9 0 ∘ − ∠ E F G = 3 0 ∘ ,所以
∠ B E F = ∠ G E B + ∠ G E F = 90 ∘ + 30 ∘ = 120 ∘ > 90 ∘ . \angle BEF=\angle GEB+\angle GEF=90^{\circ}+30^{\circ}=120^{\circ}>90^{\circ} . ∠ B E F = ∠ GE B + ∠ GE F = 9 0 ∘ + 3 0 ∘ = 12 0 ∘ > 9 0 ∘ .
这说明垂足 H H H 落在 F E FE F E 的延长线 上,而 ∠ B E H = 180 ∘ − 120 ∘ = 60 ∘ \angle BEH=180^{\circ}-120^{\circ}=60^{\circ} ∠ B E H = 18 0 ∘ − 12 0 ∘ = 6 0 ∘ ,于是
B H = B E sin ∠ B E H = 3 sin 60 ∘ = 3 3 2 . BH=BE\sin\angle BEH=3\sin 60^{\circ}=\frac{3\sqrt{3}}{2} . B H = B E sin ∠ B E H = 3 sin 6 0 ∘ = 2 3 3 .
A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 平面 B E F C ⊇ B H BEFC\supseteq BH B E F C ⊇ B H ,故 △ A B H \triangle ABH △ A B H 在 B B B 处是直角,
A B = B H tan ∠ A H B = 3 3 2 ⋅ tan 60 ∘ = 3 3 2 ⋅ 3 = 9 2 . AB=BH\tan\angle AHB=\frac{3\sqrt{3}}{2}\cdot\tan 60^{\circ}=\frac{3\sqrt{3}}{2}\cdot\sqrt{3}=\frac{9}{2} . A B = B H tan ∠ A H B = 2 3 3 ⋅ tan 6 0 ∘ = 2 3 3 ⋅ 3 = 2 9 .
避坑:「两个平面垂直」推不出「A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 底面」,中间少一句话。
面面垂直只保证「一个平面内垂直于交线 的直线垂直于另一个平面」。这里非写不可的是两句:
A B AB A B 在平面 A B C D ABCD A B C D 里,且 A B ⊥ B C AB\perp BC A B ⊥ B C ,而 B C BC B C 恰好是两平面的交线。
少了「⊥ \perp ⊥ 交线」这一句,结论就是假的——同一个平面 A B C D ABCD A B C D 里的对角线 A C AC A C 也在这个平面内,
但 A C AC A C 显然不垂直于底面。
还有一处画图就会错 的地方:∠ B E F = 120 ∘ \angle BEF=120^{\circ} ∠ B E F = 12 0 ∘ 是钝角,垂足 H H H 在 F E FE F E 的延长线上、
不在线段 E F EF E F 内 。随手把 H H H 画进线段里,∠ B E H \angle BEH ∠ B E H 就会被当成 120 ∘ 120^{\circ} 12 0 ∘ ,
于是 B H BH B H 算成 3 sin 120 ∘ 3\sin 120^{\circ} 3 sin 12 0 ∘ ——数值恰好还是 3 3 2 \frac{3\sqrt{3}}{2} 2 3 3 (正弦对补角相等),
这次侥幸不影响答案,但图是错的,换一个梯形就要出事。
解法二:以 C C C 为原点建系——两条方程先把梯形钉死,再让两个法向量去碰
建系的合法性要先说清楚。 平面 A B C D ⊥ ABCD\perp A B C D ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C ,交线是 B C BC B C ,而 D C ⊂ DC\subset D C ⊂ 平面 A B C D ABCD A B C D
且 D C ⊥ B C DC\perp BC D C ⊥ B C (矩形的邻边),故 D C ⊥ DC\perp D C ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C 。又底面内 C B ⊥ C F CB\perp CF C B ⊥ C F (即 ∠ B C F = 90 ∘ \angle BCF=90^{\circ} ∠ B C F = 9 0 ∘ )。
于是 C B CB C B 、C F CF C F 、C D CD C D 三条两两垂直,可以以 C C C 为原点、它们为 x x x 、y y y 、z z z 轴建立空间直角坐标系。
设 A B = a AB=a A B = a 、B E = b BE=b B E = b 、C F = c CF=c C F = c ,公共边 C B = A D = 3 CB=AD=\sqrt{3} C B = A D = 3 ,则
C ( 0 , 0 , 0 ) , B ( 3 , 0 , 0 ) , E ( 3 , b , 0 ) , F ( 0 , c , 0 ) , A ( 3 , 0 , a ) , D ( 0 , 0 , a ) . C(0,0,0),\quad B(\sqrt{3},0,0),\quad E(\sqrt{3},b,0),\quad F(0,c,0),\quad A(\sqrt{3},0,a),\quad D(0,0,a). C ( 0 , 0 , 0 ) , B ( 3 , 0 , 0 ) , E ( 3 , b , 0 ) , F ( 0 , c , 0 ) , A ( 3 , 0 , a ) , D ( 0 , 0 , a ) .
(E E E 的坐标里第一个分量是 3 \sqrt{3} 3 ,正因为 B E ∥ C F BE\parallel CF B E ∥ C F 即 B E BE B E 沿 y y y 轴方向。)
① 两条方程定下 b b b 、c c c 。 C E → = ( 3 , b , 0 ) \overrightarrow{CE}=(\sqrt{3},b,0) C E = ( 3 , b , 0 ) ,E F → = ( − 3 , c − b , 0 ) \overrightarrow{EF}=(-\sqrt{3},c-b,0) E F = ( − 3 , c − b , 0 ) 。
题给 ∠ C E F = 90 ∘ \angle CEF=90^{\circ} ∠ C E F = 9 0 ∘ 与 E F = 2 EF=2 E F = 2 ,就是
{ C E → ⋅ E F → = − 3 + b ( c − b ) = 0 , ∣ E F → ∣ = 3 + ( c − b ) 2 = 2. \begin{cases}
\overrightarrow{CE}\cdot\overrightarrow{EF}=-3+b(c-b)=0,\\[2pt]
\left|\overrightarrow{EF}\right|=\sqrt{3+(c-b)^{2}}=2 .
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ C E ⋅ E F = − 3 + b ( c − b ) = 0 , E F = 3 + ( c − b ) 2 = 2.
第二式给 ( c − b ) 2 = 1 (c-b)^{2}=1 ( c − b ) 2 = 1 ;c > b c>b c > b (C F CF C F 是梯形较长的那条底,也可由 b ( c − b ) = 3 > 0 b(c-b)=3>0 b ( c − b ) = 3 > 0 与 b > 0 b>0 b > 0 直接断定),
故 c − b = 1 c-b=1 c − b = 1 ,代进第一式得 b = 3 b=3 b = 3 ,于是 c = 4 c=4 c = 4 。坐标全部落地:
E ( 3 , 3 , 0 ) , F ( 0 , 4 , 0 ) . E(\sqrt{3},3,0),\qquad F(0,4,0). E ( 3 , 3 , 0 ) , F ( 0 , 4 , 0 ) .
②(Ⅰ)A E ∥ AE\parallel A E ∥ 平面 D C F DCF D C F 。 平面 D C F DCF D C F 就是坐标系的 y O z yOz y O z 平面(D D D 、C C C 、F F F 的 x x x 坐标都是 0 0 0 ),
它的一个法向量是 n 1 = ( 1 , 0 , 0 ) \boldsymbol{n}_{1}=(1,0,0) n 1 = ( 1 , 0 , 0 ) 。而
A E → = ( 3 , 3 , 0 ) − ( 3 , 0 , a ) = ( 0 , 3 , − a ) , n 1 ⋅ A E → = 0. \overrightarrow{AE}=(\sqrt{3},3,0)-(\sqrt{3},0,a)=(0,3,-a),\qquad
\boldsymbol{n}_{1}\cdot\overrightarrow{AE}=0 . A E = ( 3 , 3 , 0 ) − ( 3 , 0 , a ) = ( 0 , 3 , − a ) , n 1 ⋅ A E = 0.
数量积为零只说明 A E AE A E 与该平面平行或落在其中 ,还要排除后者:A A A 的 x x x 坐标是 3 ≠ 0 \sqrt{3}\neq0 3 = 0 ,
所以 A ∉ A\notin A ∈ / 平面 D C F DCF D C F 。两句合起来得 A E ∥ AE\parallel A E ∥ 平面 D C F DCF D C F 。
③(Ⅱ)两个法向量。 平面 C E F CEF C E F 就是底面 z = 0 z=0 z = 0 ,法向量取 m = ( 0 , 0 , 1 ) \boldsymbol{m}=(0,0,1) m = ( 0 , 0 , 1 ) 。
平面 A E F AEF A E F 的法向量设为 n = ( 1 , y , z ) \boldsymbol{n}=(1,y,z) n = ( 1 , y , z ) 。
第一个分量取 1 1 1 得先说明可以取。 反设某个法向量的 x x x 分量为 0 0 0 ,记它为 ( 0 , y , z ) (0,y,z) ( 0 , y , z ) 。
由 n ⋅ E F → = − 3 ⋅ 0 + y = y = 0 \boldsymbol{n}\cdot\overrightarrow{EF}=-\sqrt{3}\cdot 0+y=y=0 n ⋅ E F = − 3 ⋅ 0 + y = y = 0 得 y = 0 y=0 y = 0 ;
再由 n ⋅ A E → = 3 y − a z = − a z = 0 \boldsymbol{n}\cdot\overrightarrow{AE}=3y-az=-az=0 n ⋅ A E = 3 y − a z = − a z = 0 与 a > 0 a>0 a > 0 得 z = 0 z=0 z = 0 。
于是这个「法向量」是零向量,不成其为法向量。所以法向量的 x x x 分量必不为零,
除以它就把第一个分量归一成了 1 1 1 。(注意这里非用上 A E → \overrightarrow{AE} A E 不可 :
只看 E F → \overrightarrow{EF} E F 是排除不掉的——底面 z = 0 z=0 z = 0 的法向量 ( 0 , 0 , 1 ) (0,0,1) ( 0 , 0 , 1 ) 就既有零的 x x x 分量、
又垂直于 E F → \overrightarrow{EF} E F 。)
回到正题,由
n ⋅ E F → = − 3 + y = 0 , n ⋅ A E → = 3 y − a z = 0 , \boldsymbol{n}\cdot\overrightarrow{EF}=-\sqrt{3}+y=0,\qquad
\boldsymbol{n}\cdot\overrightarrow{AE}=3y-az=0, n ⋅ E F = − 3 + y = 0 , n ⋅ A E = 3 y − a z = 0 ,
得 y = 3 y=\sqrt{3} y = 3 、z = 3 y a = 3 3 a z=\dfrac{3y}{a}=\dfrac{3\sqrt{3}}{a} z = a 3 y = a 3 3 ,即 n = ( 1 , 3 , 3 3 a ) \boldsymbol{n}=\left(1,\sqrt{3},\dfrac{3\sqrt{3}}{a}\right) n = ( 1 , 3 , a 3 3 ) 。
④ 碰出方程。
∣ cos ⟨ n , m ⟩ ∣ = ∣ n ⋅ m ∣ ∣ n ∣ ∣ m ∣ = 3 3 a 1 + 3 + 27 a 2 = 3 3 4 a 2 + 27 . \left|\cos\langle\boldsymbol{n},\boldsymbol{m}\rangle\right|
=\frac{\left|\boldsymbol{n}\cdot\boldsymbol{m}\right|}{\left|\boldsymbol{n}\right|\left|\boldsymbol{m}\right|}
=\frac{\dfrac{3\sqrt{3}}{a}}{\sqrt{1+3+\dfrac{27}{a^{2}}}}
=\frac{3\sqrt{3}}{\sqrt{4a^{2}+27}} . ∣ cos ⟨ n , m ⟩ ∣ = ∣ n ∣ ∣ m ∣ ∣ n ⋅ m ∣ = 1 + 3 + a 2 27 a 3 3 = 4 a 2 + 27 3 3 .
题给二面角 A - E F - C = 60 ∘ A\text{-}EF\text{-}C=60^{\circ} A - E F - C = 6 0 ∘ 是锐角 ,而上式给的正是两平面夹角的余弦(也在 [ 0 ∘ , 90 ∘ ] [0^{\circ},90^{\circ}] [ 0 ∘ , 9 0 ∘ ] 内),
两者相等:
3 3 4 a 2 + 27 = cos 60 ∘ = 1 2 ⟹ 4 a 2 + 27 = 6 3 ⟹ 4 a 2 + 27 = 108 , \frac{3\sqrt{3}}{\sqrt{4a^{2}+27}}=\cos 60^{\circ}=\frac12
\;\Longrightarrow\;\sqrt{4a^{2}+27}=6\sqrt{3}
\;\Longrightarrow\;4a^{2}+27=108, 4 a 2 + 27 3 3 = cos 6 0 ∘ = 2 1 ⟹ 4 a 2 + 27 = 6 3 ⟹ 4 a 2 + 27 = 108 ,
故 a 2 = 81 4 a^{2}=\dfrac{81}{4} a 2 = 4 81 ,a > 0 a>0 a > 0 取 a = 9 2 a=\dfrac{9}{2} a = 2 9 ,即 A B = 9 2 AB=\dfrac{9}{2} A B = 2 9 。
避坑:法向量的夹角与二面角 ,只在 「同为锐角」时才能直接划等号。
∣ cos ⟨ n , m ⟩ ∣ \left|\cos\langle\boldsymbol{n},\boldsymbol{m}\rangle\right| ∣ cos ⟨ n , m ⟩ ∣ 算出来的永远是两个平面的夹角 ,
范围 [ 0 ∘ , 90 ∘ ] [0^{\circ},90^{\circ}] [ 0 ∘ , 9 0 ∘ ] ;而二面角 的范围是 [ 0 ∘ , 180 ∘ ] [0^{\circ},180^{\circ}] [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ] ,它可能是这个夹角、
也可能是它的补角。本题之所以能直接写等号,是因为题目已经把二面角 写成 60 ∘ 60^{\circ} 6 0 ∘ (锐角)。
若题目给的是 120 ∘ 120^{\circ} 12 0 ∘ ,上式右边就要换成 ∣ cos 120 ∘ ∣ = 1 2 \left|\cos 120^{\circ}\right|=\frac12 ∣ cos 12 0 ∘ ∣ = 2 1 ——
数值一样,但那时解出的 a a a 是同一个,说明法向量法根本分不出这两种情形 ,必须另外看图判断。
顺手去掉绝对值、照抄 cos ⟨ n , m ⟩ = cos 60 ∘ \cos\langle\boldsymbol{n},\boldsymbol{m}\rangle=\cos 60^{\circ} cos ⟨ n , m ⟩ = cos 6 0 ∘ 更危险:
法向量的方向是自己挑的,挑反一个号就全反了。
解法三:全程不作角:△ B E F \triangle BEF △ B E F 正是 △ A E F \triangle AEF △ A E F 的正射影,比一次面积就够
这条路一个角都不用作,也一个坐标都不用设。
①(Ⅰ)两个平面平行,比找平行线更省。 A B C D ABCD A B C D 是矩形,故 A B ∥ D C AB\parallel DC A B ∥ D C ;题给 B E ∥ C F BE\parallel CF B E ∥ C F 。
A B AB A B 与 B E BE B E 相交于 B B B ,D C DC D C 与 C F CF C F 相交于 C C C ,两组相交直线分别平行,由面面平行的判定定理
平面 A B E ∥ 平面 D C F . \text{平面 }ABE\parallel\text{平面 }DCF . 平面 A B E ∥ 平面 D C F .
A E ⊂ AE\subset A E ⊂ 平面 A B E ABE A B E ,由面面平行的性质定理 (两平面平行,则一个平面内的任意直线平行于另一平面),
A E ∥ 平面 D C F . AE\parallel\text{平面 }DCF . A E ∥ 平面 D C F .
(两个平面确实不重合:A A A 到平面 D C F DCF D C F 的距离是 B C = 3 ≠ 0 BC=\sqrt{3}\neq0 B C = 3 = 0 。)
② 把梯形解出来——这次用射影定理。 设 E G ⊥ C F EG\perp CF E G ⊥ C F 于 G G G ,则 B C G E BCGE B C GE 是矩形,E G = B C = 3 EG=BC=\sqrt{3} E G = B C = 3 。
△ C E F \triangle CEF △ C E F 在 E E E 处是直角,E G EG E G 正是斜边 C F CF C F 上的高,于是由直角三角形 的射影定理
E F 2 = F G ⋅ F C . EF^{2}=FG\cdot FC . E F 2 = F G ⋅ F C .
而 F G = E F 2 − E G 2 = 4 − 3 = 1 FG=\sqrt{EF^{2}-EG^{2}}=\sqrt{4-3}=1 F G = E F 2 − E G 2 = 4 − 3 = 1 ,代入得 4 = 1 ⋅ F C 4=1\cdot FC 4 = 1 ⋅ F C ,即 C F = 4 CF=4 C F = 4 ,B E = C G = 4 − 1 = 3 BE=CG=4-1=3 B E = C G = 4 − 1 = 3 。
③ 竖线立起来,射影就是现成的。 平面 A B C D ⊥ ABCD\perp A B C D ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C ,交线 B C BC B C ,A B ⊂ AB\subset A B ⊂ 平面 A B C D ABCD A B C D
且 A B ⊥ B C AB\perp BC A B ⊥ B C ,故 A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C 。这句话的含义正是:B B B 就是 A A A 在底面上的正射影 。
于是 △ A E F \triangle AEF △ A E F 在底面上的正射影恰好是 △ B E F \triangle BEF △ B E F (E E E 、F F F 本来就在底面上,射影是自己),
S △ B E F = S △ A E F ⋅ cos 60 ∘ . S_{\triangle BEF}=S_{\triangle AEF}\cdot\cos 60^{\circ} . S △ B E F = S △ A E F ⋅ cos 6 0 ∘ .
④ 算两个面积,A B AB A B 就出来了。 B E ∥ C F BE\parallel CF B E ∥ C F ,两条平行线之间的距离就是 B C = 3 BC=\sqrt{3} B C = 3 ,
故以 B E BE B E 为底、F F F 为顶的三角形 的高是 3 \sqrt{3} 3 :
S △ B E F = 1 2 ⋅ B E ⋅ B C = 1 2 ⋅ 3 ⋅ 3 = 3 3 2 ⟹ S △ A E F = S △ B E F cos 60 ∘ = 3 3 . S_{\triangle BEF}=\frac12\cdot BE\cdot BC=\frac12\cdot 3\cdot\sqrt{3}=\frac{3\sqrt{3}}{2}
\;\Longrightarrow\;
S_{\triangle AEF}=\frac{S_{\triangle BEF}}{\cos 60^{\circ}}=3\sqrt{3} . S △ B E F = 2 1 ⋅ B E ⋅ B C = 2 1 ⋅ 3 ⋅ 3 = 2 3 3 ⟹ S △ A E F = cos 6 0 ∘ S △ B E F = 3 3 .
两个三角形 以同一条边 E F = 2 EF=2 E F = 2 为底,各自的高就是 B B B 、A A A 到直线 E F EF E F 的距离 B H BH B H 、A H AH A H :
B H = 2 S △ B E F E F = 3 3 2 , A H = 2 S △ A E F E F = 3 3 . BH=\frac{2S_{\triangle BEF}}{EF}=\frac{3\sqrt{3}}{2},\qquad
AH=\frac{2S_{\triangle AEF}}{EF}=3\sqrt{3} . B H = E F 2 S △ B E F = 2 3 3 , A H = E F 2 S △ A E F = 3 3 .
最后用一次勾股定理:A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 平面 B E F C ⊇ B H BEFC\supseteq BH B E F C ⊇ B H ,故 △ A B H \triangle ABH △ A B H 在 B B B 处是直角,
A B = A H 2 − B H 2 = 27 − 27 4 = 81 4 = 9 2 . AB=\sqrt{AH^{2}-BH^{2}}=\sqrt{27-\frac{27}{4}}=\sqrt{\frac{81}{4}}=\frac{9}{2} . A B = A H 2 − B H 2 = 27 − 4 27 = 4 81 = 2 9 .
避坑:射影面积公式好用,前提却很硬——「射影是现成的」这句话必须有出处。
S ′ = S cos θ S'=S\cos\theta S ′ = S cos θ 里的 S ′ S' S ′ 必须是 S S S 在二面角 的另一个面 上的正射影 。
本题能用,全靠第 ③ 步那句 A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 平面 B E F C BEFC B E F C :它把 A A A 的射影钉在 B B B 上,
于是 △ A E F \triangle AEF △ A E F 的射影自动是 △ B E F \triangle BEF △ B E F 。
若换成一道「顶点的射影不在任何已知点上」的题,这条路就要先花力气把垂足找出来,
反而比作平面角更绕——它省的不是思考,是作图 。
三条路各自省在哪里
第(Ⅰ)问 第(Ⅱ)问 适合什么时候用 解法一 造平行四边形 A D G E ADGE A D GE 作出 ∠ A H B \angle AHB ∠ A H B ,解 R t △ A B H \mathrm{Rt}\triangle ABH Rt △ A B H 图形规整、辅助线一眼能看见;答题最稳 解法二 法向量数量积为零 两个法向量碰出关于 a a a 的方程 垂直关系多、三条轴现成;不想动几何直觉时 解法三 面面平行,两句话 只比一次面积,不作角 顶点的射影已被垂直关系钉死时,最短
三条路都必须先解梯形 ——它们真正的分歧只在第(Ⅱ)问怎么把 60 ∘ 60^{\circ} 6 0 ∘ 用掉。
顺带一提,第 ③ 步那个梯形被三次不同的工具解出同样的 B E = 3 BE=3 B E = 3 、C F = 4 CF=4 C F = 4
(解直角三角形 / 两条向量方程 / 射影定理),这本身就是一次很好的自查。
最后:这道题最容易丢分的三处
∠ A H B \angle AHB ∠ A H B 是不是平面角,必须证。 判据是两条边都 垂直于棱 E F EF E F 。
常见的错法是随手用 ∠ A E B \angle AEB ∠ A E B ——但 ∠ B E F = 120 ∘ ≠ 90 ∘ \angle BEF=120^{\circ}\neq90^{\circ} ∠ B E F = 12 0 ∘ = 9 0 ∘ ,B E BE B E 根本不垂直于 E F EF E F 。
若照着 ∠ A E B = 60 ∘ \angle AEB=60^{\circ} ∠ A E B = 6 0 ∘ 算,会得到 A B = B E tan 60 ∘ = 3 3 ≈ 5.196 AB=BE\tan 60^{\circ}=3\sqrt{3}\approx5.196 A B = B E tan 6 0 ∘ = 3 3 ≈ 5.196 ,
与正确答案 9 2 = 4.5 \frac92=4.5 2 9 = 4.5 不同——错得不算离谱,正因如此更难在检查时发现。
交线是 B C BC B C ,不是别的。 「面面垂直 ⇒ \Rightarrow ⇒ 线面垂直」必须点名交线;
题面里两个平面的交线是两块图形共用的那条边 B C BC B C ,不是 E F EF E F ,也不是 C D CD C D 。
第(Ⅰ)问不要去算长度。 它与 A B AB A B 、B E BE B E 、C F CF C F 的具体值全都无关,
两组平行就够了。在这一问里代数字,既浪费时间,又会让阅卷看不出你用的是哪条判定定理。