Question

（2013•湖州二模）如圖，一個正△ABC'和一個平行四邊形ABDE在同一個平面內，其中AB=8，BD=AD=

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，AB，DE的中點分別為F，G．現沿直線AB將△ABC'翻折成△ABC，使二面角C-AB-D為120°，設CE中點為H．
（Ⅰ）（i）求證：平面CDF∥平面AGH；（ii）求異面直線AB與CE所成角的正切值；
（Ⅱ）求二面角C-DE-F的余弦值．

Answer 1

分析：解法一：（Ⅰ）（i）先證明FD∥平面AGH，CD∥平面AGH，再利用面面平行的判定定理，即可證明平面CDF∥平面AGH；
（ii）確定∠CED或其補角即為異面直線AB與CE所成的角，再用余弦定理，即可求異面直線AB與CE所成角的正切值；
（Ⅱ）確定∠CDF即為二面角C-DE-F的平面角，再用余弦定理求二面角C-DE-F的余弦值．
解法二：（Ⅰ）（i）同解法一；
（ii）建立空間直角坐標系，確定

AB

，

CE

的坐標，利用向量的夾角公式，即可求異面直線AB與CE所成角的正切值；
（Ⅱ）確定平面CDE、平面DEF的法向量，利用向量的夾角公式，即可求二面角C-DE-F的余弦值．

解答：解法一：（Ⅰ） （i）證明：連FD．因為ABDE為平行四邊形，F、G分別為AB、DE中點，
所以FDGA為平行四邊形，所以FD∥AG．----------------------（1分）
又H、G分別為CE、DE的中點，所以HG∥CD．------------------（2分）
因為FD、CD?平面AGH，AG、HG?平面AGH，所以FD∥平面AGH，CD∥平面AGH，
而FD、CD?平面CDF，所以平面CDF∥平面AGH．---------------（4分）
（ii）解：因為DE∥AB，所以∠CED或其補角即為異面直線AB與CE所成的角．-----------（5分）
因為ABC為正三角形，BD=AD，F為AB中點，所以AB⊥CF，AB⊥DF，從而AB⊥平面CFD，
而DE∥AB，所以DE⊥平面CFD，
因為CD?平面CFD，所以DE⊥CD．--------------------------（7分）
由條件易得CF=4

3

 ， DF=

BD2-( 1 2 AB)2

=3

3

，
又∠CFD為二面角C-AB-D的平面角，所以∠CFD=120°，
所以CD=

CF2+DF2-2CF•DFcos∠CFD

=

111

，
所以tan∠CED=

CD

DE

=

111

8

．---------------------（9分）
（Ⅱ） 解：由（Ⅰ）的（ii）知DE⊥平面CFD，即CD⊥DE，FD⊥DE，所以∠CDF即為二面角C-DE-F的平面角．---（12分）
所以cos∠CDF=

CD2+DF2-CF2

2CD•DF

=

111+27-48

2 111 •3 3

=

5 37

37

．---------------（14分）
解法二：（Ⅰ） （i）同解法一；
（ii） 因為ABC為正三角形，BD=AD，F為AB中點，所以AB⊥CF，AB⊥DF，從而∠CFD為二面角C-AB-D的平面角且AB⊥平面CFD，而AB?平面ABDE，所以平面CFD⊥平面ABDE．
作CO⊥平面ABDE于O，則O在直線DF上，又由二面角C-AB-D的平面角為∠CFD=120°，故O在線段DF的延長線上．
由CF=4

3

得FO=2

3

 ， CO=6．--------（6分）
以F為原點，FA、FD、FZ為x、y、z軸建立空間直角坐標系，如圖，則由上述及已知條件得各點坐標為A（0，4，0），B（0，-4，0），D(3

3

 ， 0 ， 0)，E(3

3

 ， 8 ， 0)，C(-2

3

 ， 0 ， 6)，
所以

AB

=(0 ， -8 ， 0)，

CE

=(5

3

 ， 8 ， -6)．----------------（8分）
所以異面直線AB與CE所成角的余弦值為|cos(

AB

 ， 

CE

)|=

| AB • CE |

| AB |•| CE |

=

64

8×5 7

=

8

5 7

，
從而其正切值為

(5 7 )2-64

8

=

111

8

．------------------------------（10分）
（Ⅱ）由（Ⅰ）的（ii）知

CD

=(5

3

 ， 0 ， -6) ， 

DE

=(0 ， 8 ， 0)，
設平面CDE的法向量為

n1

=（x，y，z），則由

n1

⊥

CD

，

n1

⊥

DE

得

5 3 x-6z=0 8y=0.

令z=5

3

，得

n1

=(6 ， 0 ， 5

3

)．-----------（12分）
又平面DEF的一個法向量為

n2

=（0，0，1），而二面角C-DE-F為銳二面角，
所以二面角C-DE-F的余弦為|cos＜

n1

， 

n2

＞|=

| n1 • n2 |

| n1 |•| n2 |

=

5 37

37

．-------------（14分）

點評：本題考查線面平行，考查線面角，考查面面角，考查向量知識的運用，考查學生分析解決問題的能力，屬于中檔題．