如图1,△ABC是边长为6的等边三角形,,点G为BC边的中点,线段AG交线段ED于点F.将△AED沿ED翻折,使平面AED丄平面BCDE,连接AB、AC、AG形成如图2的几何体.
(I)求证:BC丄平面AFG
(II)求二面角B-AE-D的大小.
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解:(I)图1中,∵,
∴DE∥BC,且DE=BC=4.得△ADE是边长等于4的等边三角形,
∵G是BC的中点,得AG是等边△ABC的中线
∴AG⊥BC,结合DE∥BC,得AG⊥DE
图2中,∵AF⊥DE,FG⊥DE,AF、FG是平面AFG内的相交直线
∴DE⊥平面AFG
∵DE∥BC,
∴BC丄平面AFG
(II)分别以FG、FD、FA所在直线为x轴、y轴、z轴,
建立如图所示空间直角坐标系,
可得A(0,0,2),B(,-3,0),E(0,-2,0)
∴=(,-3,-2),=(-,1,0)
设平面ABE的一个法向量为=(x,y,z)
可得,取x=1,得y=,z=-1
∴平面ABE的一个法向量为=(1,,-1)
又∵=(1,0,0)是平面ADE的一个法向量
∴cos<,>==
结合图形,可得二面角B-AE-D是一个钝二面角
∴二面角B-AE-D的大小是π-arcsos
解析分析:(I)根据平面几何平行线的判定,可得DE∥BC,得△ADE是边长等于4的等边三角形.线段AG是等边△ABC的高,翻折后得到折线AF和FG,可得AF⊥DE且FG⊥DE,从而DE⊥平面AFG,结合DE∥BC,可得BC丄平面AFG;(II)分别以FG、FD、FA所在直线为x轴、y轴、z轴,建立如图所示空间直角坐标系,得出A、B、E各点的坐标,从而得到向量、的坐标.利用垂直向量数量积为零的方法建立方程组,解出平面ABE的一个法向量为=((1,,-1),而平面ADE的一个法向量=(1,0,0),算出、夹角的余弦,再结合图形特征即可得到二面角B-AE-D的大小.
点评:本题以等边三角形翻折的问题为例,求证线面垂直并求二面角的大小,着重考查了线面垂直的判定、面面垂直的性质和利用空间向量计算二面角的大小等知识,属于中档题.