Question

如圖所示的幾何體是由以正三角形ABC為底面的直棱柱被平面 DEF所截而得．AB=2，BD=1，CE=3，AF=a，O為AB的中點．
（1）當(dāng)a=4時，求平面DEF與平面ABC的夾角的余弦值；
（2）當(dāng)a為何值時，在棱DE上存在點P，使CP⊥平面DEF？

Answer 1

分析：（1）通過建立空間直角坐標(biāo)系，利用兩平面的法向量的夾角即可得到二面角的余弦值；
（2）通過建立空間直角坐標(biāo)系，利用線面垂直的判定定理即可得出．

解答：解：（1）分別取AB、DF的中點O、G，連接OC、OG．
以直線OB、OC、OG分別為x軸、y軸、z軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系，
∵AF=a=4，則D、E、F的坐標(biāo)分別為D（1，0，1）、E（0，

3

，3）、F（-1，0，4），
∴

DE

=（-1，

3

，2），

DF

=（-2，0，3）
設(shè)平面DEF的法向量

n

=(x，y，z)，
由

n • DE =0 n • DF =0

得

-x+ 3 y+2z=0 -2x+3z=0

，
令z=6，則x=9，y=-

3

，∴

n

=(9，-

3

，6)．
平面ABC的法向量可以取

m

=(0，0，1)．
∴cos＜

m

，

n

＞=

m • n

| m | | n |

=

6

92+(- 3 )2+62

=

30

10

．
∴平面DEF與平面ABC的夾角的余弦值為

30

10

．
（2）在（1）的坐標(biāo)系中，AF=a，

DE

=（-1，

3

，2），

DF

=（-2，0，a-1），C(0，

3

，0)．
因P在DE上，設(shè)

DP

=λ

DE

，
則

OP

=

OD

+

DP

=（1，0，1）+λ(-1，

3

，2)=(1-λ，

3

λ，2λ+1)．
∴

CP

=

OP

-

OC

=(1-λ，

3

(λ-1)，2λ+1)．
于是CP⊥平面DEF的充要條件為

CP • DE =0 CP • DF =0

，得到

λ-1+3(λ-1)+2(2λ+1)=0 -2(1-λ)+(a-1)(2λ+1)=0

                                 
由此解得，λ=

1

4

，a=2．
即當(dāng)a=2時，在DE上存在靠近D的第一個四等分點P，使CP⊥平面DEF．

點評：熟練掌握通過建立空間直角坐標(biāo)系并利用兩平面的法向量的夾角求二面角的余弦值、線面垂直的判定定理是解題的關(guān)鍵．