分析:解法(一):
(1)通过观察,根据三垂线定理易得:不管点E在AB的任何位置,D
1E⊥A
1D总是成立的.
(2)在立体几何中,求点到平面的距离是一个常见的题型,同时求直线到平面的距离、平行平面间的距离及多面体的体积也常转化为求点到平面的距离.本题可采用“等积法”:即利用三棱锥的换底法,通过体积计算得到点到平面的距离.本法具有设高不作高的特殊功效,减少了推理,但计算相对较为复杂.根据
V三棱锥D1-ACE=
V三棱锥E-D1AC既可以求得点E到面ACD
1的距离.
(3)二面角的度量关键在于找出它的平面角,构造平面角常用的方法就是三垂线法.过D作DH⊥CE于H,连D
1H、DE,则D
1H⊥CE,
则∠DHD
1为二面角D
1-EC-D的平面角.
解法(二):
以D为坐标原点,直线DA,DC,DD
1分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,设AE=x,则A
1(1,0,1),D
1(0,0,1),E(1,x,0),A(1,0,0)C(0,2,0).这种解法的好处就是:(1)解题过程中较少用到空间几何中判定线线、面面、线面相对位置的有关定理,因为这些可以用向量方法来解决.(2)即使立体感稍差一些的学生也可以顺利解出,因为只需画个草图以建立坐标系和观察有关点的位置即可.
(1)因为
•=(1,0,1)•(1,x,-1)=0,所以
⊥.
(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),从而
=(1,1,-1),=(-1,2,0),
=(-1,0,1),设平面ACD
1的法向量为
=(a,b,c),从而
=(2,1,2),所以点E到平面AD
1C的距离为
h===.
(3)设平面D
1EC的法向量
=(a,b,c),可求得
=(2-x,1,2).,因为二面角D
1-EC-D的大小为
,所以根据余弦定理可得AE=
2-时,二面角D
1-EC-D的大小为
.
解答:解法(一):
(1)证明:∵AE⊥平面AA
1DD
1,A
1D⊥AD
1,∴A
1D⊥D
1E
(2)设点E到面ACD
1的距离为h,在△ACD
1中,AC=CD
1=
,AD
1=
,
故
S△AD1C=••=,而
S△ACE=•AE•BC=.∴
VD1-AEC=S△AEC•DD1=S△AD1C•h,
∴
×1=×h,∴
h=.
(3)过D作DH⊥CE于H,连D
1H、DE,则D
1H⊥CE,∴∠DHD
1为二面角D
1-EC-D的平面角.
设AE=x,则BE=2-x在Rt△D
1DH中,∵
∠DHD1=,∴DH=1.
∵在Rt△ADE中,DE=
,
∴在Rt△DHE中,EH=x,在Rt△DHC中CH=
,在Rt△CBE中CE=
.
∴
x+=?x=2-.
∴
AE=2-时,二面角D
1-EC-D的大小为
.
解法(二):
以D为坐标原点,直线DA,DC,DD
1分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,设AE=x,则A
1(1,0,1),D
1(0,0,1),E(1,x,0),A(1,0,0)C(0,2,0)
(1)因为
•=(1,0,1)•(1,x,-1)=0,所以
⊥.
(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),
从而
=(1,1,-1),=(-1,2,0),
=(-1,0,1),设平面ACD
1的法向量为
=(a,b,c),
则
也即
,得
,从而
=(2,1,2),所以点E到平面AD
1C的距离为
h===.
(3)设平面D
1EC的法向量
=(a,b,c),
∴
=(1,x-2,0),=(0,2,-1),=(0,0,1),
由
?令b=1,∴c=2,a=2-x,
∴
=(2-x,1,2).
依题意
cos==?=.
∴
x1=2+(不合,舍去),
x2=2-.
∴AE=
2-时,二面角D
1-EC-D的大小为
.