题目内容

如图,在六面体中,四边形ABCD是边长为2的正方形,四边形是边长为1的正方形,平面,平面ABCD, 

(Ⅰ)求证:A1C1与AC共面,B1D1与BD共面;

(Ⅱ)求证:平面

(Ⅲ)求二面角的大小(用反三角函数值表示).

本小题主要考查直线与平面的位置关系、平面与平面的位置关系、二面角及其平面角等有关知识,考查空间想象能力和思维能力,应用向量知识解决立体几何问题的能力.

解法1(向量法):

以为原点,以所在直线分别为

轴,轴,轴建立空间直角坐标系如图,

则有.

(Ⅰ)证明:.

.

与平行,与平行,

于是与共面,与共面.

(Ⅱ)证明:,,

,.

与是平面内的两条相交直线.

平面.

又平面过.

平面平面.

(Ⅲ)解:.

设为平面的法向量,

,.

于是,取,则,.

设为平面的法向量,

,.

于是,取,则,.

.

二面角的大小为.

解法2(综合法):

(Ⅰ)证明:平面,平面.

,,平面平面.

于是,.

设分别为的中点,连结,

有.

,

于是.

由,得,

故,与共面.

过点作平面于点,

则,连结,

于是,,.

,.

,.

所以点在上,故与共面.

(Ⅱ)证明:平面,,

又(正方形的对角线互相垂直),

与是平面内的两条相交直线,

平面.

又平面过,平面平面.

(Ⅲ)解:直线是直线在平面上的射影,,

根据三垂线定理,有.

过点在平面内作于,连结,

则平面,

于是,

所以,是二面角的一个平面角.

根据勾股定理,有.

,有,,,.

,,

二面角的大小为.

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