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精英家教网如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AD=AA1=1,AB=2,点E在棱AB上移动.
(1)证明:D1E⊥A1D;
(2)当E为AB的中点时,求点E到面ACD1的距离;
(3)AE等于何值时,二面角D1-EC-D的大小为
π4
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,D1E⊥A1D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ACD1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D1H、DE,则D1H⊥CE,
则∠DHD1为二面角D1-EC-D的平面角.
解法(二):
以D为坐标原点,直线DA,DC,DD1分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,设AE=x,则A1(1,0,1),D1(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
DA1
D1E
=(1,0,1)•(1,x,-1)=0,所以
DA1
D1E

(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),从而
D1E
=(1,1,-1),
AC
=(-1,2,0)
AD1
=(-1,0,1)
,设平面ACD1的法向量为
n
=(a,b,c)
,从而
n
=(2,1,2)
,所以点E到平面AD1C的距离为h=
|
D1E
n
|
|
n
|
=
2+1-2
3
=
1
3

(3)设平面D1EC的法向量
n
=(a,b,c)
,可求得
n
=(2-x,1,2)
.,因为二面角D1-EC-D的大小为
π
4
,所以根据余弦定理可得AE=2-
3
时,二面角D1-EC-D的大小为
π
4
解答:精英家教网解法(一):
(1)证明:∵AE⊥平面AA1DD1,A1D⊥AD1,∴A1D⊥D1E
(2)设点E到面ACD1的距离为h,在△ACD1中,AC=CD1=
5
,AD1=
2

S△AD1C=
1
2
2
5-
1
2
=
3
2
,而S△ACE=
1
2
•AE•BC=
1
2
.∴VD1-AEC=
1
3
S△AEC•DD1=
1
3
S△AD1C•h

1
2
×1=
3
2
×h
,∴h=
1
3

(3)过D作DH⊥CE于H,连D1H、DE,则D1H⊥CE,∴∠DHD1为二面角D1-EC-D的平面角.
设AE=x,则BE=2-x在Rt△D1DH中,∵∠DHD1=
π
4
,∴DH=1.
∵在Rt△ADE中,DE=
1+x2

∴在Rt△DHE中,EH=x,在Rt△DHC中CH=
3
,在Rt△CBE中CE=
x2-4x+5

x+
3
=
x2-4x+5
?x=2-
3

AE=2-
3
时,二面角D1-EC-D的大小为
π
4

解法(二):
以D为坐标原点,直线DA,DC,DD1分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,设AE=x,则A1(1,0,1),D1(0,0,1),E(1,x,0),A(1,0,0)C(0,2,0)
(1)因为
DA1
D1E
=(1,0,1)•(1,x,-1)=0,所以
DA1
D1E

(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),精英家教网从而
D1E
=(1,1,-1),
AC
=(-1,2,0)
AD1
=(-1,0,1)
,设平面ACD1的法向量为
n
=(a,b,c)

n
AC
=0
n
AD1
=0
也即
-a+2b=0
-a+c=0
,得
a=2b
a=c
,从而
n
=(2,1,2)
,所以点E到平面AD1C的距离为h=
|
D1E
n
|
|
n
|
=
2+1-2
3
=
1
3

(3)设平面D1EC的法向量
n
=(a,b,c)

CE
=(1,x-2,0),
D1C
=(0,2,-1),
D
D
 
1
=(0,0,1)

n
D1C
=0
n
CE
=0
?
2b-c=0
a+b(x-2)=0.
令b=1,∴c=2,a=2-x,
n
=(2-x,1,2)

依题意cos
π
4
=
|
n
DD1
|
|
n
|•|
DD1
|
=
2
2
?
2
(x-2)2+5
=
2
2

x1=2+
3
(不合,舍去),x2=2-
3

∴AE=2-
3
时,二面角D1-EC-D的大小为
π
4
点评:本小题主要考查棱柱,二面角、点到平面的距离和线面关系等基本知识,同时考查空间想象能力和推理、运算能力.
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如图在长方体ABCD-A1B1C1D1中,三棱锥A1-ABC的面是直角三角形的个数为:
4
4

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若一个n面体中有m个面是直角三角形,则称这个n面体的直度为.如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,四面体A1-ABC的直度为(    )

 

A.         B.               C.                 D.1

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A.            B.              C.              D.1

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(文科做)(本题满分14分)如图,在长方体

ABCDA1B1C1D1中,AD=AA1=1,AB=2,点E在棱AB上移动.

(1)证明:D1EA1D;

(2)当EAB的中点时,求点E到面ACD1的距离;

(3)AE等于何值时,二面角D1ECD的大小为.                      

 

 

 

(理科做)(本题满分14分)

     如图,在直三棱柱ABCA1B1C1中,∠ACB = 90°,CB = 1,

CA =AA1 =M为侧棱CC1上一点,AMBA1

   (Ⅰ)求证:AM⊥平面A1BC

   (Ⅱ)求二面角BAMC的大小;

   (Ⅲ)求点C到平面ABM的距离.

 

 

 

 

 

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