每日一题[154] 折叠中的二面角

2015年高考浙江卷理科数学第8题(选择压轴题):

如图,已知三角形\(ABC\),\(D\)是\(AB\)的中点,沿直线\(CD\)将三角形\(ACD\)折成三角形\(A'CD\),所成二面角\(A'-CD-B\)的平面角为\(\alpha\),则(        )

QQ20150616-1@2x

A.\(\angle A'DB\leqslant\alpha\)

B.\(\angle A'DB\geqslant \alpha\)

C.\(\angle A'CB\leqslant \alpha\)

D.\(\angle A'CB\geqslant \alpha\)


cover正确答案是B.

得到答案是容易的,可以取以下两种极端情形进行排除:

QQ20150616-2@2x

当\(\alpha=\pi\)时,显然\(\angle A'DB=\angle ADB=\pi\),而\(\angle A'CB=\angle ACB<\pi\),排除D;

当\(\alpha=0\)时,显然\(\angle A'DB=\angle A'^\prime DB>0\),而\(\angle A'CB=\angle A'^\prime CB>0\),排除A、C.

下面证明选项B是正确的.QQ20150616-3@2x如图,在平面\(ABC\)内过\(D\)作线段\(MN\)垂直于\(CD\),且\(AB=MN\),\(D\)亦为\(MN\)的中点.设在折叠过程中,\(M\)的对应点为\(M'\),则根据二面角的平面角的定义有\(\alpha=\angle M'DN\).

若线段\(MN\)与线段\(AB\)重合,那么就有\(\angle M'DN=\angle A'DB\),命题成立;

若线段\(MN\)不于线段\(AB\)重合,那么\(A\)和\(B\)分别位于直线\(MN\)两侧,于是\(A'\)和\(B\)分别位于平面\(M'DN\)两侧.进而在三角形\(A'DB\)和三角形\(M'DB\)中,\(M'D=A'D\)且\(BA'>BM'\),于是\(\angle A'DB>\angle M'DB\).而在三角形\(M'DB\)和三角形\(M'DN\)中,\(DN=DB\)且\(M'B>M'N\),于是\(\angle M'DB>\angle M'DN\),于是命题成立.


   也可以利用三射线定理\[\cos\angle A'DB=\cos\angle A'DC\cos\angle BDC+\sin\angle A'DC\sin\angle BDC\cos\alpha,\]结合\(\angle A'DC+\angle BDC=\pi\),有\[1+\cos\angle A'DB=\left(1+\cos\alpha\right)\cdot\sin\angle A'DC\sin\angle BDC,\]因此\[\cos\angle A'DB\leqslant \cos\alpha,\]考虑到余弦函数在\([0,\pi]\)内单调递减,于是命题成立.

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