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翻折后的立体:蓝色是立起来的 △A′EF,绿色是待折的 MNCD,虚线 MA′=MC
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冷启动:翻折题里,先数清楚哪些长度没变
矩形的尺寸藏在题面那一串等式 AE=EB=AF=32FD=4 里,拆开就是
AB=AE+EB=8,AF=4,FD=6,AD=AF+FD=10.
这张 10×8 的平面图是全题唯一的数据源。 两次翻折搬动的都是刚性的一块板:折痕同侧的边长、角、面积一个都不会变,变的只是这块板停在空间里的哪个位置。于是
- 第一折(△AEF 沿 EF 折起成 △A′EF):A′E=AE=4、A′F=AF=4、∠EA′F=90∘ 原样照搬;
- 第二折(四边形 MNCD 沿 MN 折上去):MC、NC、MD、DC 原样照搬。
两问要做的,不过是把这两句话各翻译成一个式子。
第一件事:把 A′ 钉在空间里
取 EF 的中点 H,连 A′H。
这是套路「借面面垂直找垂足」的标准用法:题面那句「平面 A′EF⊥ 平面 BEF」不是背景交代,它的唯一作用就是把 A′ 在底面上的射影钉死在 H 上。 没有这句话,△A′EF 可以绕着 EF 转到任何角度,两问都无从谈起。
高也一并定死。△AEF 的两条直角边都是 4,是等腰直角三角形,斜边
EF=42,
而 A′H 是这条斜边上的中线,故 A′H=21EF=22。(不记得这条也行:A′H=A′E2−EH2=16−8=22。)
到这里 A′ 的位置已经完全确定——射影是 H,离底面 22。下面三条路的分歧全都发生在这一步之后。
第二件事:把「重合」翻译成方程
第二折要求 C 与 A′ 重合。折痕 MN 上的点在翻折中一动不动,而 C 被搬到了 A′,所以对折痕上的每一点,到 C 的距离就等于到 A′ 的距离:
MA′=MC,NA′=NC.
这就是套路「翻折重合化成到两点等距」——换句话说,MN 整条躺在线段 A′C 的中垂面里。两个等式各给一个方程,分别定出 M 在 FD 上、N 在 BC 上的位置;而且两边都是距离的平方,展开后二次项自动抵消,剩下的是一次方程。
原卷只列了 M 那一个方程,末尾补一句「经检验,此时点 N 在线段 BC 上」。这句检验不是客套:中垂面与直线 BC 必有交点,与线段 BC 却未必——交点落在线段外,这样的折法就根本不存在。
![上中下三块的教学图。①(左上)是翻折前的平面图:深蓝色矩形 ABCD,左下角标 A、左上角标 B、右上角标 C、右下角标 D;左边 AB 上的中点标 E,底边 AD 上靠左处标 F。三角形 AEF 用亮蓝色描边并填成浅蓝,折痕 EF 是一条加粗的亮蓝线段。底边靠右处标 M、顶边靠左处标 N,四边形 MNCD 用绿色描边并填成浅绿,折痕 MN 是一条加粗的绿线段。左边 AE、EB 两段各标灰字「4」,底边 AF 段下方标灰字「4」,再往下一行绿字写「FM=\frac{21}{4}」,最下面一行灰字写「FD=6」。本块标题是「① 翻折前:蓝色的 \triangle AEF 沿 EF 折起/绿色的 MNCD 沿 MN 折上去」。②(右上)是翻折后的立体图:底面是浅蓝色的五边形 EBCDF,深蓝色描边,五个顶点各一个黑点,依次标 E、B、C、D、F;顶上一个蓝点标 A',两条深蓝实线 A'E、A'F 把它连到底面上。从 A' 向下一条亮蓝虚线落到 EF 的中点上,那一点标 H(标在底面内侧);底面内另一条亮蓝虚线从 H 连到左下方的亮蓝点 G,G 与 A' 之间是一条亮蓝实线;H 处与 G 处各画了一个亮蓝色的小直角记号。底边靠右的绿点标 M,从 M 出发两条绿色虚线分别连到 A' 和 C。本块标题是「② 翻折后:A'H\perp 底面,\angle A'GH 就是平面角/虚线 MA'=MC——第 (II) 问的那个方程」。③(下)是一块文字面板,标题「③ 两问各三步:先把 A' 钉在空间里,再让两段距离相等」,各行依次写「A'E=A'F、H 是 EF 中点 \Rightarrow A'H\perp EF;两平面垂直」「\Rightarrow A'H\perp 底面;\triangle AEF 是等腰直角三角形 \Rightarrow A'H=\frac{1}{2}|EF|=2\sqrt{2}」「(I) G 是 AF 中点:GH\parallel AB\perp AF、A'H\perp AF\Rightarrow AF\perp 平面 A'GH,故 \angle A'GH 是平面角」「Rt\triangle A'HG:A'H=2\sqrt{2},GH=2,A'G=2\sqrt{3}\Rightarrow\cos\angle A'GH=\frac{GH}{A'G}=\frac{\sqrt{3}}{3}」(这一行是绿色)「(II) 翻折是等距变换:C 落到 A'\Rightarrow M、N 到两点等距,即 M、N 都在线段 A'C 的中垂面上」「设 FM=x:(6-x)^{2}+8^{2}=(x+2)^{2}+2^{2}+(2\sqrt{2})^{2}\Rightarrow x=\frac{21}{4}」(这一行是绿色);其下一行灰字写「同一个中垂面切 BC 得 BN=\frac{13}{4}\in[0,10]——「经检验 N 在线段 BC 上」这一句不能省」;最后一行绿字写「\cos\theta=\frac{\sqrt{3}}{3};FM=\frac{21}{4}」。](/_astro/q20-figure.DnL4DU-B_Z1OloC7.webp)
解法一:把平面角作出来——AF⊥ 平面 A′GH,于是 ∠A′GH 的两条边都垂直于棱
这条路一个坐标都不设。
先约定一个记号。 折起之后顶点 A 已经不在这个几何体上了,但它原来的位置仍在底面所在的平面里(底面是矩形挖掉 △AEF 剩下的五边形 EBCDF,而 A 就在这个五边形之外、DF 的延长线上)。下文的 A、AF、AE 一律指翻折前的那个位置——只有这样读,「AF 在平面 BEF 内」才是对的;若当成 A′F,这句话立刻就假了。
第 (I) 问
二面角 A′-FD-C 的棱是直线 FD,也就是矩形的那条边 AD 所在的直线。要作平面角,就得在棱上找一点,向两个半平面内各作一条垂直于棱的射线(易错点「二面角的平面角没找对」:随手连两条线量出来的角不算)。
第一步:取 AF 的中点 G。 G、H 分别是 △AEF 两条边 AF、EF 的中点,连起来就是一条中位线(套路「两个中点连成中位线」),由三角形的中位线定理
GH∥AE,GH=21AE=2.
而 AE⊥AF(矩形的直角),所以
GH⊥AF.
第二步:另一条边也垂直于棱。 A′H⊥ 平面 BEF,而 AF 在这个平面内,故 A′H⊥AF。
第三步:把棱整个垂直掉。 AF⊥GH、AF⊥A′H,而 GH 与 A′H 相交于 H、同在平面 A′GH 内,由线面垂直的判定定理
AF⊥平面 A′GH.
这一步是本条路的全部价值:平面 A′GH 就是棱的垂面(套路「棱的垂面里量二面角」)。棱的垂面与两个半平面各交出一条射线——GH 落在含 C 的那一侧(H 与 C 都在棱的同侧),GA′ 落在含 A′ 的那一侧,两条都垂直于棱。所以 ∠A′GH 就是二面角 A′-FD-C 的平面角,不用再多说一句。
顶点 G 落在线段 FD 之外,不要紧。 G 在 F 的另一侧(离 F 恰好 2),但二面角 A′-FD-C 的棱是直线 FD,平面角的顶点只要取在这条直线上就行,两个半平面一个字都没变。
第四步:在一个直角三角形里量它。 A′H⊥ 底面 ⇒A′H⊥GH,故 △A′HG 是直角三角形,直角在 H:
A′H=22,GH=2⟹A′G=8+4=23,
cos∠A′GH=A′GGH=232=33.
顺带把正负也说清楚了:这里量的是平面角本身,cos 为正就是锐角,不存在「要不要取补角」的问题。
第 (II) 问
设 FM=x(0⩽x⩽6),把 MC 与 MA′ 各算一遍。
MC 在底面里就能算完。 MD=FD−FM=6−x,DC=AB=8,∠MDC=90∘,故
MC2=(6−x)2+82=(6−x)2+64.
MA′ 拆成「竖直一段 + 底面一段」。 A′H⊥ 底面 ⇒A′H⊥HM,故
MA′2=A′H2+HM2=8+HM2.
而 HM 也在底面里:HG⊥AD(上面刚证过 GH⊥AF),所以 △HGM 是直角三角形,直角在 G,两条直角边 HG=2、GM=AM−AG=(4+x)−2=x+2:
HM2=22+(x+2)2⟹MA′2=8+4+(x+2)2=12+(x+2)2.
令两者相等。 二次项 x2 两边各有一个,抵消:
(6−x)2+64=(x+2)2+12⟹100−12x=4x+16⟹16x=84⟹x=421.
421=5.25⩽6,M 确实落在线段 FD 上。
N 也照做一遍(这就是原卷那句「经检验」)。设 BN=t,N 在 BC 上,NC=BC−BN=10−t。H 到直线 BC 的距离是 AB−2=6,H 与 B 沿 AD 方向差 2,故 HN2=62+(t−2)2,于是
NA′2=8+36+(t−2)2=44+(t−2)2.
NA′=NC 给出
(10−t)2=44+(t−2)2⟹100−20t=48−4t⟹t=413∈[0,10],
N 确实落在线段 BC 上。所以这样的折法存在,且
FM=421.
解法二:建系算——法向量给余弦,坐标把两个等距条件写成两个一次方程
怎么想到的。 A′ 的射影已经钉死在 H 上,而底面是一个矩形——原点、两条坐标轴、竖直方向全是现成的,这时候不建系反而吃亏(套路「空间向量法」)。
第一步:建系抄坐标。 以 A 为原点,AD 为 x 轴、AB 为 y 轴、竖直向上为 z 轴:
A(0,0,0), D(10,0,0), C(10,8,0), B(0,8,0), E(0,4,0), F(4,0,0),
H(2,2,0),A′(2,2,22).
(A′ 的前两个坐标就是 H 的,第三个就是 A′H。)
第二步:平面 A′FD 的法向量。 由向量的坐标运算,
FD=(6,0,0),FA′=(−2,2,22).
设 n=(x,y,z) 与两者的数量积都为零:
{6x−2x+2y+22z=0=0⟹x=0, y=−2z.
取 z=2 得 n=(0,−2,2)。底面 BEF 的法向量取 m=(0,0,1)。
第三步:算夹角。
cos⟨n,m⟩=∣n∣∣m∣n⋅m=0+4+22=62=33.
第四步:这一步原卷跳过了——补上互补的判定。 法向量的夹角与二面角要么相等、要么互补,算出一个 33 并不等于答案就是它(易错点「二面角与法向量夹角互补漏判」)。回图看一眼:A′ 在底面上的射影是 H(2,2,0),它与 C(10,8,0) 都在棱(x 轴)的同一侧(两点的 y 坐标都为正),所以二面角 A′-FD-C 是锐角,余弦取正:
cosθ=33.
(解法一算的是平面角本身,自带这层判定;建系法必须自己补。)
第五步:第 (II) 问直接写距离。 设 FM=x,则 M(4+x,0,0);由 MC=MA′:
(10−4−x)2+82+02=(4+x−2)2+(0−2)2+(0−22)2,
即 (6−x)2+64=(x+2)2+4+8,仍得 x=421∈[0,6],M 在线段 FD 上。
同样地,设 N(t,8,0),由 NC=NA′:
(10−t)2=(t−2)2+(8−2)2+(22)2=(t−2)2+44⟹t=413∈[0,10],
N 在线段 BC 上。故 FM=421。
解法三:不作角也不建系——射影面积给余弦,「到两点的距离平方差为定值」同时定出 M 与 N
怎么想到的。 冷启动那一步已经白送了两件东西:A′ 的射影是 H,且 A′H=22。有了「谁是谁的射影」,二面角就不必作角;有了「竖直高度是定值」,第 (II) 问的两个空间距离也能一次压回底面。
第 (I) 问:两个三角形的面积一比
套路「射影面积求二面角」说:平面图形在另一个平面上的正射影,面积等于原面积乘二面角的余弦。A′ 的射影是 H,而 F、D 本来就在底面上,所以
△A′FD 在底面上的正射影恰是 △HFD.
两个三角形共用底边 FD=6,只要各自的高:
- H(2,2) 到直线 AD 的距离是 2,故 S△HFD=21⋅6⋅2=6;
- A′ 到直线 FD 的距离:A′H⊥ 底面,H 到该直线的距离是 2,勾股得 (22)2+22=23,故 S△A′FD=21⋅6⋅23=63。
于是
cosθ=S△A′FDS△HFD=636=33.
射影 △HFD 与原三角形在棱的同侧(H 与 A′ 的射影是同一点,都在 C 那一边),所以这个角是锐角,余弦取正号。
第 (II) 问:把空间的等距压成底面上的一个定值
底面上的任一点 X,由 A′H⊥ 底面得 XA′2=XH2+A′H2=XH2+8。于是
XA′=XC⟺XH2+8=XC2⟺XC2−XH2=8(X 在底面内).
「到两个定点的距离平方之差为定值」的点,在平面内构成一条垂直于 HC 的直线——这条直线就是折痕 MN。两个未知点各代一次:
-
M 在 FD 上,设 FM=x。MC2=(6−x)2+64,MH2=(x+2)2+4(两式在解法一里都算过),故
[(6−x)2+64]−[(x+2)2+4]=92−16x=8⟹x=421∈[0,6].
-
N 在 BC 上,设 BN=t。NC2=(10−t)2,NH2=(t−2)2+36,故
(10−t)2−(t−2)2−36=60−16t=8⟹t=413∈[0,10].
两个方程的左边都只剩一次项——这正是前面说的「二次项自动抵消」,而且这一版连 8 都是同一个常数,两式写法完全对称。
一个免费的校验。 M(437,0)、N(413,8),方向向量 MN=(−6,8);而 HC=(8,6),两者数量积 −48+48=0,果然 MN⊥HC,与上面那条「垂直于 HC 的直线」对上了。再进一步:HC 是 A′C 在底面上的射影,底面内的 MN 垂直于这条射影,于是 MN⊥A′C——正是「MN 躺在 A′C 的中垂面里」该有的样子。
答案
(I) cosθ=33;(II) FM=421
三条路落在同一对结果上。回头看,这道题的两问其实是同一句话的两次使用:
- 第 (I) 问用的是「折起来的那一块,边长没变」——A′E=A′F=4 给出 A′H⊥EF,配上面面垂直,A′ 的位置就定死了;
- 第 (II) 问用的是「折上去的那一块,MC、NC 没变」——于是 M、N 到 A′ 与到 C 等距。
唯一需要额外小心的,是最后那句检验。 M 的方程解出 421⩽6、N 的方程解出 413⩽10,两个交点都落在线段内部,折法才真的存在。把矩形改宽一点(比如 AD 不变而 AB 变小),同样的方程照样有解,交点却可能跑到线段外——那时候正确答案是「这样的 M、N 不存在」。