解题思路:①先将B1C平移到A1D,根据异面直线所成角的定义可知∠MA1D是异面直线A1M与B1C所成的角(或补角),然后利用余弦定理求出此角的余弦值即可;
②先利用正棱柱的体积公式求出正四棱柱ABCD-A1B1C1D1的体积为V,然后利用三棱锥的体积公式求出三棱锥N-A1B1C1的体积,即可求出所求;
③取AA1中点P,连接B1P、NP、MP,则四边形B1MPA1为正方形,根据A1M⊥B1P,A1M⊥B1C1,满足线面垂直的判定定理可知A1M⊥平面B1NC1,而A1M⊂平面A1MC1,满足面面垂直的判定定理可知平面A1MC1⊥平面B1NC,从而求出平面A1MC1与平面B1NC1所成二面角大小.
①∵A1D∥B1C
∴∠MA1D是异面直线A1M与B1C所成的角(或补角)
MA1=
2a,A1D=
5a,MD=
3a
cos∠MA1D=
A1M2+A1D2−MD2
2A1M•A1D
=
2a2+5a2−3a2
2×
2a×
5a
=
10
5
所以异面直线A1M与B1C所成的角余弦值为
10
5
②V=2a3,
VN−A1B1C1=
1
3a×
1
2a2=
1
6a3,
V1
V=
1
12
③取AA1中点P,连接B1P、NP、MP,则四边形B1MPA1为正方形.
∵A1M⊥B1P,且B1C1⊥平面A1B1BA,
∴B1C1⊥A1M,即A1M⊥B1C1,
∴A1M⊥平面B1PNC1
即A1M⊥平面B1NC1,
∵A1M⊂平面A1MC1,
所以,平面A1MC1⊥平面B1NC.
故平面A1MC1与平面B1NC1所成二面角大小为90°.
点评:
本题考点: 与二面角有关的立体几何综合题;棱柱、棱锥、棱台的体积;异面直线及其所成的角.
考点点评: 本题主要考查了异面直线所成角的度量,以及体积的求解和面面垂直的判定,同时考查了计算能力和推理能力,属于中档题.