四棱锥 $S-ABCD$ 中,$AD \parallel BC$,$BC \perp CD$,$\angle SDA=\angle SDC=60^{\circ}$,$AD=DC=\dfrac 12BC=\dfrac 12SD$,$E$ 在 棱 $SD$ 上,$F$ 为 $BC$ 的中点.
【难度】
【出处】
2014年全国高中数学联赛河北省预赛
【标注】
-
若 $SF \parallel \text{平面}AEC$,求证:$CE \perp \text{平面}ABE$;标注答案略解析不妨设 $BC=SD=4$,则 $AD=CD=2$,由已知易知 $AFCD$ 为正方形,$ABFD$ 为平行四边形,故 $DF \perp AC$,$AB \parallel FD$,故 $AB \perp AC$.
设 $AC$ 与 $FD$ 交于点 $O$,连 $OE$,因为 $SF \parallel \text{平面} AEC$,所以 $SF \parallel OE$,又 $O$ 为 $FD$ 的中点,所以 $E$ 为 $SD$ 的中点.所以 $DE=2=AD=DC$.又因为 $\angle SDA=\angle SDC=60^{\circ}$,所以 $\triangle EDA$ 与 $\triangle EDC$ 是正三角形,所以 $AE=EC=ED=2$,所以 $EO \perp AC$,又 $AC=2\sqrt 2$,所以 $CE \perp AE$.
由于 $EO=\sqrt 2=OD$,而 $ED=2$,所以 $EO \perp OD$,即 $EO \perp FD$,所以 $EO \perp AB$,又 $AB \perp AC$,所以 $AB \perp \text{平面} ACE$,所以 $AB \perp CE$,又 $CE \perp AE$,所以 $CE \perp \text{平面}ABE$. -
在 $(1)$ 的条件下,求 $BC$ 与平面 $CDE$ 所成角的余弦值.标注答案$ \dfrac {\sqrt 3}{3}$解析解法一:
以 $O$ 为原点,建立如图空间直角坐标系,则 $B(2\sqrt 2,-\sqrt 2,0)$,$C(0,\sqrt 2,0)$,$D(-\sqrt 2,0,0)$,$E(0,0,\sqrt 2)$,$\overrightarrow {BC}=(-2\sqrt 2,2\sqrt 2,0)$,$\overrightarrow { CE}=(0,- \sqrt 2, \sqrt 2 )$,$\overrightarrow { CD}=(- \sqrt 2, -\sqrt 2,0)$.设 $\overrightarrow {m}=(x,y,z)$ 是平面 $CDE$ 的法向量,则$$\begin{cases}\overrightarrow {m}\cdot \overrightarrow {CD}=-\sqrt 2x-\sqrt 2y=0,\\ \overrightarrow {m}\cdot \overrightarrow {CE}=-\sqrt 2y+\sqrt 2 z=0 .\end{cases}$$所以 $\overrightarrow {m}=(1,-1,-1)$,所以$$\cos \langle \overrightarrow {m},\overrightarrow {BC}\rangle =\dfrac {-2\sqrt 2-2\sqrt 2}{\sqrt 3 \cdot 4}=-\dfrac {\sqrt 6}{3},$$所以 $BC$ 与平面 $CDE$ 所成角的正弦值是 $\dfrac {\sqrt 6}{3}$,余弦值是 $\dfrac {\sqrt 3}{3}$.
解法二:
设 $B$ 点到平面 $ECD$ 的距离为 $h$,则 $V_{E-BCD}=V_{B-ECD}$,即$$\dfrac 13 EO \cdot S_{\triangle BCD}=\dfrac 13 h \cdot S_{\triangle ECD},$$即$$\sqrt 2\times \dfrac 12 \times 2\times 4=h \times \dfrac {\sqrt 3}{4}\times 4,$$所以 $h=\dfrac {4\sqrt 2}{\sqrt 3}$,所以 $\sin \theta =\dfrac {h}{ BC}=\dfrac {\sqrt 6}{3}$,即 $\cos \theta= \dfrac {\sqrt 3}{3}$.
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2