Question

设多面体ABCDEF，已知AB∥CD∥EF，平面ABCD⊥平面ADE，其中△ADE是以AD为斜边的等腰直角三角形，点G为BC边中点．若∠ADC=120°，AD=AB=2，CD=4，EF=3．
（1）求证：FG⊥平面ABCD；
（2）求二面角F-BD-C的大小．

Answer

（1）取AD边中点H，利用面ADE⊥面ABCD，证明EH⊥面ABCD，连接GH，可证四边形EFGH为平行四边形，从而可得结论；
（2）解法一：先证明∠FBG为二面角F-BD-C的平面角，再在Rt△FGB中，可求二面角大小为30°；
解法二：建立空间坐标系，确定面BDC的法向量，面BDF的法向量，利用向量的夹角公式，可得结论．
（1）证明：取AD边中点H，在等腰直角三角形ADE中有EH⊥AD
又面ADE⊥面ABCD，∴EH⊥面ABCD，
连接GH，由于AB∥CD∥EF，且AB=2，CD=4
∴在梯形ABCD中，HG∥AB且HG=3，∴HG∥EF且HG=EF，
∴四边形EFGH为平行四边形
∴FG∥EH且FG=EH
∴FG⊥面ABCD…（5分）
（2）解法一：在梯形ABCD中，∠ADC=120°，∴∠DAB=60°
又AB=AD=2，∴∠ADB=60°且BD=2，
∴在△BDC中，BD=2，CD=4，∠BDC=60°，∴BD⊥BC，
又由（1）知FG⊥面ABCD，而FG⊂面FBC，∴面FBC⊥面ABCD
∴BD⊥面FBC，∴∠FBG为二面角F-BD-C的平面角．…（10分）
而在Rt△FGB中，，∴∠FBG=30°，∴所求二面角大小为30°…（12分）
解法二：建立如图所示的空间坐标系，A（1，0，0），D（-1，0，0），E（0，0，1），，HG=3，∠DHG=60°，∴∴…（7分）
∴面BDC的法向量
令面BDF的法向量，则∴
令y=-1，∴，…（10分）  
记为θ，则，θ=30°
∴二面角大小为30°．…（12分）