如图,正方形
ABCD 所在平面与平面四边形
ABEF 所在平面互相垂直,
△ABE 是等腰直角三角形,
AB=AE,
FA=FE,
∠AEF=45∘.
(1) 求证:
EF⊥ 平面
BCE;
(2) 设线段
CD,
AE 的中点分别为
P,
M,求证:
PM∥ 平面
BCE;
(3) 求二面角
F−BD−A 的大小.
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 在正方形所在平面内,
BC⊥AB. 又两平面的交线为
AB,且两平面互相垂直,所以
BC⊥ 平面
ABEF,从而
BC⊥EF.
因
△ABE 是等腰直角三角形且
AB=AE,其直角在
A,故
∠AEB=45∘. 在平面
ABEF 内,题设又给出
∠AEF=45∘. 由于
ABEF 是非退化四边形,
EF 不与
EB
重合,因此
EF 取的是
EA 的另一侧射线,从而
∠BEF=90∘,即
BE⊥EF. 直线
BC、
BE 相交且都在平面
BCE 内,
EF 同时垂直于它们,所以
EF⊥ 平面
BCE.
\item 取
AB=1,建立空间直角坐标系,使
A=(0,0,0),
B=(1,0,0),
C=(1,1,0),
D=(0,1,0)
E=(0,0,1),
F=(−21,0,21).
这些坐标满足题设的垂直、等腰直角及等腰条件. 设
N 为
BE 的中点,则
P=(21,1,0),
M=(0,0,21),
N=(21,0,21).
于是
PM=(−21,−1,21)=CN
所以
PM∥CN. 又平面
BCE 的方程为
x+z=1,而
P 的坐标满足
x+z=21,故
P∈/ 平面
BCE. 因此
PM∥ 平面
BCE.
\item 在上述坐标系中,平面
ABD 的方程为
z=0. 平面
FBD 内两条相交向量可取
BD=(−1,1,0),
BF=(−23,0,21).
故其法向量可取
BD×BF=(21,21,23)
而平面
ABD 的法向量为
(0,0,1). 设二面角
F−BD−A 的大小为
θ,取其锐角,则
tanθ=312+12=32
所以
θ=arctan32.
\end{enumerate}
\end{solution}