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16立体几何初步★★★☆☆
如图 1,在 Rt△ABC\mathrm{Rt}\triangle ABC 中,∠C=90∘\angle C = 90^\circ,DD,EE 分别是 ACAC,ABAB 的中点,点 FF 为线段 CDCD 上的一点,将 △ADE\triangle ADE 沿 DEDE 折起到 △A1DE\triangle A_1DE 的位置,使 A1F⊥CDA_1F \perp CD,如图 2.
(1) 求证:DE∥平面 A1CBDE\parallel\text{平面 }A_1CB; (2) 求证:A1F⊥BEA_1F\perp BE; (3) 线段 A1BA_1B 上是否存在点 QQ,使 A1C⊥平面 DEQA_1C\perp\text{平面 }DEQ?说明理由.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 因为 DD,EE 分别是 ACAC,ABAB 的中点,所以在折叠前 DE∥BCDE\parallel BC,折叠后 DEDE 和 BCBC 的位置均不变,仍有 DE∥BCDE\parallel BC. 又 BC⊂平面 A1CBBC\subset\text{平面 }A_1CB. 只需证明 DEDE 不在该平面内.
若 DE⊂平面 A1CBDE\subset\text{平面 }A_1CB,则平面 A1CBA_1CB 与折叠前的平面 ABCABC 都含有两条互相平行且不重合的直线 DEDE 和 BCBC,从而两平面重合,故 A1∈平面 ABCA_1\in\text{平面 }ABC. 由于 DE⊥ACDE\perp AC,且 DD 是 ACAC 的中点,点 AA 绕折痕 DEDE 后仍落在平面 ABCABC 内时只能处于原位置 AA 或关于 DEDE 的对称位置 CC. 这两种情形下 A1FA_1F 均与 CDCD 共线或退化,不可能满足 A1F⊥CDA_1F\perp CD. 因此 DE⊄平面 A1CBDE\not\subset\text{平面 }A_1CB,所以 DE∥平面 A1CBDE\parallel\text{平面 }A_1CB.
\item 由 AC⊥BCAC\perp BC 且 DE∥BCDE\parallel BC,得 DE⊥ACDE\perp AC,从而 DE⊥CDDE\perp CD. 折叠保持折痕 DEDE 与边 ADAD 的夹角,所以 DE⊥A1DDE\perp A_1D. 直线 A1DA_1D 与 DCDC 在 DD 处相交,且都在平面 A1DCA_1DC 内,故 DE⊥平面 A1DCDE\perp\text{平面 }A_1DC. 因为 F∈CDF\in CD,所以 A1F⊂平面 A1DCA_1F\subset\text{平面 }A_1DC,从而 DE⊥A1FDE\perp A_1F.
已知 A1F⊥CDA_1F\perp CD. 过 FF 作直线 ℓ∥DE\ell\parallel DE. 直线 ℓ\ell 和 CDCD 是平面 BCDEBCDE 内过 FF 的两条相交直线,且 A1F⊥ℓA_1F\perp\ell、A1F⊥CDA_1F\perp CD,所以 A1F⊥平面 BCDEA_1F\perp\text{平面 }BCDE. 由于 BE⊂平面 BCDEBE\subset\text{平面 }BCDE,故 A1F⊥BEA_1F\perp BE.
\item 取 PP,QQ 分别为 A1CA_1C,A1BA_1B 的中点. 在三角形 A1CBA_1CB 中,PQ∥CBPQ\parallel CB,而 DE∥CBDE\parallel CB,所以 PQ∥DEPQ\parallel DE. 平面 DEQDEQ 含有过 QQ 且平行于 DEDE 的直线 PQPQ,故 P∈平面 DEQP\in\text{平面 }DEQ,从而平面 DEQ=平面 DEPDEQ=\text{平面 }DEP.
折叠保持长度,且 DD 是 ACAC 的中点,所以 A1D=AD=DCA_1D=AD=DC. 因而三角形 A1DCA_1DC 是以 A1CA_1C 为底边的等腰三角形;PP 是底边 A1CA_1C 的中点,所以 DP⊥A1CDP\perp A_1C. 由上一步知 DE⊥平面 A1DCDE\perp\text{平面 }A_1DC,故 DE⊥A1CDE\perp A_1C. 又 PQ∥DEPQ\parallel DE,所以 PQ⊥A1CPQ\perp A_1C. 直线 DPDP 与 PQPQ 在 PP 处相交,且均在平面 DEPDEP 内,因此 A1C⊥平面 DEP=平面 DEQA_1C\perp\text{平面 }DEP=\text{平面 }DEQ. 所以存在这样的点 QQ,可取 QQ 为 A1BA_1B 的中点. \end{enumerate} \end{solution}

2012 · 北京 · 文 · 第 16 题 · 解答题

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