如图,在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,已知AA1=4,AB=2,E是棱CC1上的一个动点.

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  • 解题思路:方法一:

    (1)证明一条直线与一个平面平行,除了可以根据直线与平面平行的判定定理以外,通常还可以通过平面与平面平行进行转化,比如在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,平面BB1C1C∥平面AA1D1D,BE⊂平面BB1C1C,所以BE∥平面AA1D1D.

    (2)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.BC⊥平面C1CDD1,所以过C作CH⊥ED于H,连接BH,则∠BHC是二面角B-ED-C的平面角.

    (3)由三垂线定理可知,A1C⊥BD;故只需要在平面BDE再构造一条相交直线与A1C垂直即可:连接B1C,因为A1B1⊥平面B1BCC1,所以B1C是A1C在平面B1BCC1上的射影,由三垂线定理可知,只需B1C⊥BE,则A1C⊥BE

    方法二:

    以A为坐标原点,分别以AB、AD、AA1为x、y、z轴,建立空间直角坐标系A-xyz.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.

    方法一:

    (Ⅰ)证明:由已知,ABCD-A1B1C1D1为正四棱柱,

    所以平面BB1C1C∥平面AA1D1D,

    又因为BE⊂平面BB1C1C,

    所以,BE∥平面AA1D1D.(4分)

    (Ⅱ)如图,过C作CH⊥ED于H,连接BH.

    因为ABCD-A1B1C1D1为正四棱柱,所以BC⊥平面C1CDD1

    则CH是斜线BH在面C1CDD1上的射影,所以BH⊥ED.

    所以∠BHC是二面角B-ED-C的平面角.

    在Rt△ECD中,易知CH•ED=EC•CD.

    因为EC=1,CD=2,ED=

    5,所以CH=

    2

    5.

    在Rt△BCH中,tan∠BHC=

    BC

    CH=

    2

    2

    5=

    5,所以∠BHC=arctan

    5,

    所以,二面角B-ED-C的大小是arctan

    5.(9分)

    (Ⅲ)如图,连接AC交BD于点O,

    因为ABCD-A1B1C1D1为正四棱柱,AC⊥BD,AA1⊥平面ABCD,

    由三垂线定理可知,A1C⊥BD.

    连接B1C,因为A1B1⊥平面B1BCC1

    所以B1C是A1C在平面B1BCC1上的射影.

    要使A1C⊥平面BDE,只需A1C⊥BE,由三垂线定理可知,只需B1C⊥BE.

    由平面几何知识可知,

    B1C⊥BE⇔△BCE∽△B1BC⇔

    CE

    点评:

    本题考点: 平面与平面垂直的判定.

    考点点评: 本小题主要考查空间线面关系、二面角的度量等知识,考查数形结合、化归与转化的数学思想方法,以及空间想象能力、推理论证能力和运算求解能力.