如图,矩形ABCD中,AB=CD=2,BC=AD=.现沿着其对角线AC将D点向上翻折,使得二面角D-AC-B为直二面角.(Ⅰ)求二面角A-BD-C平面角的余弦值.(Ⅱ

发布时间:2020-07-31 13:33:22

如图,矩形ABCD中,AB=CD=2,BC=AD=.现沿着其对角线AC将D点向上翻折,使得二面角D-AC-B为直二面角.
(Ⅰ)求二面角A-BD-C平面角的余弦值.
(Ⅱ)求四面体ABCD外接球的体积.

网友回答

解:如图,过点D、B分别向AC引垂线,垂足分别为E、F,则AE=CF=1,EF=3,DE=BF=2.
因为DE⊥AC,面ACD∩面ABC=AC,二面角D-AC-B为直二面角,所以DE⊥平面ABC,
又因为BF?平面ABC,所以DE⊥BF,故DE、AC、BF两两垂直.
如图以点F为坐标原点,FB为x轴,FC为y轴,平行于ED的方向为z轴,建立空间直角坐标系.
则各点的坐标如下A(0,-4,0),B(2,0,0),C(0,1,0),D(0,-3,2).(3分)
(Ⅰ)=(0,1,2),=(2,4,0),=(-2,1,0),=(0,-4,2)
设平面ABD的法向量为=(x,y,1),则,∴,∴,
即=(4,-2,1)
设平面BCD的法向量为=(1,b,c),则,,∴
即=(1,2,4)
∴cos<,>==.
由图形知二面角A-BD-C平面角的余弦值为-.(8分)
(Ⅱ)设O为AC的中点,∵△ABC与△ADC都为直角三角形,∴OA=OB=OC=OD,∴O为四面体ABCD的外接球的球心.
∴四面体ABCD的体积(12分)
解析分析:(Ⅰ)过点D、B分别向AC引垂线,垂足分别为E、F,可证DE、AC、BF两两垂直.以点F为坐标原点,FB为x轴,FC为y轴,平行于ED的方向为z轴,建立空间直角坐标系,用坐标表示点与向量,确定平面ABD的法向量=(4,-2,1),平面BCD的法向量=(1,2,4),利用向量的夹角公式,即可求得结论;(Ⅱ)设O为AC的中点,可得O为四面体ABCD的外接球的球心,从而可求四面体ABCD的体积.

点评:本题考查面面角,考查四面体体积的计算,考查利用空间向量解决空间角问题,属于中档题.
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