如图,正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AA1=2AB=4,点E在CC1上且C1E=3EC.

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  • 解题思路:法一:(Ⅰ)要证A1C⊥平面BED,只需证明A1C与平面BED内两条相交直线BD,EF都垂直;(Ⅱ)作GH⊥DE,垂足为H,连接A1H,说明∠A1HG是二面角A1-DE-B的平面角,然后解三角形,求二面角A1-DE-B的大小.法二:建立空间直角坐标系,(Ⅰ)求出A1C•DB=0,A1C•DE=0,证明A1C⊥平面DBE.(Ⅱ)求出 平面DA1E和平面DEB的法向量,求二者的数量积可求二面角A1-DE-B的大小.

    解法一:

    依题设知AB=2,CE=1.

    (Ⅰ)连接AC交BD于点F,则BD⊥AC.

    由三垂线定理知,BD⊥A1C.(3分)

    在平面A1CA内,连接EF交A1C于点G,

    由于

    AA1

    FC=

    AC

    CE=2

    2,

    故Rt△A1AC∽Rt△FCE,∠AA1C=∠CFE,∠CFE与∠FCA1互余.

    于是A1C⊥EF.A1C与平面BED内两条相交直线BD,EF都垂直,

    所以A1C⊥平面BED.(6分)

    (Ⅱ)作GH⊥DE,垂足为H,连接A1H.由三垂线定理知A1H⊥DE,

    故∠A1HG是二面角A1-DE-B的平面角.(8分)

    EF=

    CF2+CE2=

    3,CG=

    CE×CF

    EF=

    2

    3,EG=

    CE2−CG2=

    3

    3.[EG/EF=

    1

    3],GH=

    1

    EF×FD

    DE=

    2

    15.

    又A1C=

    A

    A21+AC2=2

    6,A1G=A1C−CG=

    5

    6

    3.tan∠A1HG=

    A1G

    HG=5

    5.

    所以二面角A1-DE-B的大小为arctan5

    5.((12分))

    解法二:

    以D为坐标原点,射线DA为x轴的正半轴,

    建立如图所示直角坐标系D-xyz.

    依题设,B(2,2,0),C(0,2,0),E(0,2,1),A1(2,0,4).

    DE=(0,2,1),

    DB=(2,2,0),

    A1C=(−2,2,−4),

    DA1=(2,0,4).(3分)

    (Ⅰ)因为

    A1C•

    DB=0,

    A1C•

    DE=0,

    故A1C⊥BD,A1C⊥DE.

    又DB∩DE=D,

    所以A1C⊥平面DBE.(6分)

    (Ⅱ)设向量

    n=(x,y,z)是平面DA1E的法向量,则n⊥

    DE,n⊥

    DA1.

    故2y+z=0,2x+4z=0.

    令y=1,则z=-2,x=4,

    n=(4,1,-2).(9分)<

    n,

    A1C>等于二面角A1-DE-B的平面角,cos<

    n,

    A1C=>

    n•

    A1C

    |

    n||

    A1C|=

    14

    42

    所以二面角A1-DE-B的大小为arccos

    14

    42.(12分)

    点评:

    本题考点: 直线与平面垂直的判定;与二面角有关的立体几何综合题.

    考点点评: 本题考查直线与平面垂直的判定,二面角的求法,考查空间想象能力,逻辑思维能力,是中档题.