正四面体 $ABCD$ 的棱长为 $1$,平面 $\alpha$ 是与棱 $AB$ 平行的平面,$E$、$F$ 分别是棱 $AD$ 和 $BC$ 的中点,以 $AB$ 为轴将正四面体 $ABCD$ 旋转一周,线段 $EF$ 在平面 $\alpha$ 上的射影 $E_1F_1$ 长的范围是
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
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    立体几何
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    空间几何体
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    空间几何体的形体分析
【答案】
$\left[\dfrac 12,\dfrac{\sqrt 2}2\right]$
【解析】
可以直接通过一些特殊位置确定 $EF$ 的长度的取值范围是 $\left[\dfrac{\sqrt 2}2EF,EF\right]$,但严格求解的难度不小.我们可以通过一些常见的转化来将这个复杂的问题逐步简化.
第一步转化正四面体的问题往往可以在其“外接正方体”中研究,这样更有利于数量和位置关系的推断,如图1.由于研究的是线段 $EF$ 在平面 $\alpha$ 上的投影,因此可以取 $\alpha$ 为底面 $AB$.同时,正四面体绕 $AB$ 转动,可以转化为底面 $AB$ 绕直线 $AB$ 转动.容易计算得 $EF=\dfrac{\sqrt 2}2$,于是问题的关键就是在转动中 $EF$ 与平面 $\alpha$ 形成的线面角的取值范围.
第二步转化在平面 $\alpha$ 的旋转过程中需要探索的线面角难以研究,因此将其转化为平面 $\alpha$ 的法线与 $EF$ 形成的线线角的取值范围,如图2.此时,平面 $\alpha$ 的法线可以取遍正四面体的外接正方体的包含 $CD$ 的对角面内的直线.
然后从复杂的图形中将相关部分提炼出来.我们知道,$EF$ 与对角面所成的角为 $\dfrac {\pi} 4$,因此,平面 $\alpha$ 的法线与 $EF$ 的线线角的取值范围是 $\left[\dfrac {\pi} 4,\dfrac {\pi} 2\right]$,如图3.因此转动中 $EF$ 与平面 $\alpha$ 形成的线面角的取值范围是 $\left[0,\dfrac {\pi} 4\right]$,于是所求的投影 $E_1F_1$ 的取值范围是 $\left[\dfrac 12,\dfrac{\sqrt 2}2\right]$.
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