解题思路:(Ⅰ)证明直线与平面垂直,关键要找到两条相交直线与之都垂直.在这个“折叠问题”中,要把握好不变的长度关系、线线关系、线面关系,比如:AB=3,BC=4,AC=5,所以AB⊥BC;四边形ADD1A1为正方形,AA1∥BB1,所以AB⊥BB1.
(Ⅱ)本题的两问是递进式的,第(1)问是为第(2)问作铺垫的.因为AB⊥平面BCC1B1,所以AB为四棱锥A-BCQP的高,并且四边形BCQP为直角梯形.
(Ⅲ)由(Ⅰ)、(Ⅱ)可知,AB,BC,BB1两两互相垂直.以B为原点,分别以BC、BB1、BA为x、y、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系B-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.解答
(Ⅰ)证明:在正方形ADD1A1中,因为CD=AD-AB-BC=5,
所以三棱柱ABC-A1B1C1的底面三角形ABC的边AC=5.
因为AB=3,BC=4,所以AB2+BC2=AC2,所以AB⊥BC.(2分)
因为四边形ADD1A1为正方形,AA1∥BB1,
所以AB⊥BB1,而BC∩BB1=B,
所以AB⊥平面BCC1B1.(5分)
(Ⅱ)因为AB⊥平面BCC1B1,
所以AB为四棱锥A-BCQP的高.
因为四边形BCQP为直角梯形,且BP=AB=3,CQ=AB+BC=7,
所以梯形BCQP的面积为SBCQP=
1
2(BP+CQ)×BC=20.
所以四棱锥A-BCQP的体积VA−BCQP=
1
3SBCQP×AB=20.(9分)
(Ⅲ)由(Ⅰ)、(Ⅱ)可知,AB,BC,BB1两两互相垂直.
以B为原点,建立如图所示的空间直角坐标系B-xyz,
则A(0,0,3),B(0,0,0),C(4,0,0),P(0,3,0),Q(4,7,0),
所以
AP=(0,3,−3),
AQ=(4,7,−3),
设平面PQA的一个法向量为
n1=(x,y,z).
则
n1•
点评:
本题考点: 与二面角有关的立体几何综合题;直线与平面平行的判定;点、线、面间的距离计算.
考点点评: 本小题主要考查空间线面关系、二面角的度量、几何体的体积等知识,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.