如图,已知 $\triangle ABC$,$D$ 是 $AB$ 的中点,沿直线 $CD$ 将 $\triangle ACD$ 翻折成 $\triangle A'CD$,所成二面角 $A'-CD-B$ 的平面角为 $\alpha$,则 \((\qquad)\)
A: $\angle A'DB\leqslant \alpha$
B: $\angle A'DB\geqslant \alpha$
C: $\angle A'CB\leqslant \alpha$
D: $\angle A'CB\geqslant \alpha$
【难度】
【出处】
【标注】
  • 题型
    >
    立体几何
    >
    折叠问题
  • 知识点
    >
    立体几何
    >
    空间几何量
    >
    空间的角
    >
    二面角
  • 知识点
    >
    立体几何
    >
    空间几何量
    >
    利用向量计算空间几何量
【答案】
B
【解析】
先通过研究一些特殊位置得到答案.
取 $\alpha=\pi$,此时 $\angle A'DB=\pi$,$\angle A'CB<\pi$,排除 D;
取 $\alpha=0$,此时 $\angle A'DB> 0$ 或 $\angle A'DB=0$,$\angle A'CB>0$ 或 $\angle A'CB=0$,排除 A,C;
从而正确答案应该是 B.
下面证明在任何情形下均有 $\angle A'DB\geqslant \alpha$.如图,设 $\triangle A'DC$ 和 $\triangle BDC$ 所在的平面分别是 $\gamma$ 和 $\beta$,过点 $D$ 分别在平面 $\gamma,\beta$ 内作 $CD$ 的垂线 $l_1,l_2$,过点 $A',B$ 分别向 $l_1,l_2$ 作垂线,垂足为 $P,Q$,则 $\angle PDQ$ 即为二面角 $A'-DC-B$ 的平面角 $\alpha$.过 $A',B$ 分别向直线 $CD$ 作垂线,垂足为 $S,T$,由于 $\angle A'DC=\pi-\angle BDC=\angle BDT$,于是 $|DS|=|DT|$,且 $|DP|=|DQ|$.不妨设 $\overrightarrow {DP},\overrightarrow {DQ}$ 为单位向量,分别为 $\overrightarrow a,\overrightarrow b$,并设 $\overrightarrow {DS}=\overrightarrow x$,且 $|DS|=m$,则$$\overrightarrow {DA'}=\overrightarrow a+\overrightarrow x,\overrightarrow {DB}=\overrightarrow b-\overrightarrow x,$$于是\[\begin{split} \cos\angle A'DB&=\dfrac{\overrightarrow {DA'}\cdot\overrightarrow {DB}}{\big|\overrightarrow {DA'}\big|\cdot\big|\overrightarrow {DB}\big|}\\&=\dfrac{\left(\overrightarrow a+\overrightarrow x\right)\cdot\left(\overrightarrow b-\overrightarrow x\right)}{1+m^2}\\&=\dfrac{\overrightarrow a\cdot\overrightarrow b-\overrightarrow a\cdot\overrightarrow x+\overrightarrow b\cdot \overrightarrow x-m^2}{1+m^2}\\&=\dfrac {\cos\alpha-m^2}{1+m^2}\leqslant \cos\alpha,\end{split}\]因此 $\angle A'DB\geqslant \alpha$,等号当且仅当 $m=0$,也即 $AB\perp CD$ 时取得.
题目 答案 解析 备注
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