题目内容

如图,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E、F分别是BB1、CD的中点.

(1)证明AD⊥D1F;

(2)求AE与D1F所成的角;

(3)证明平面AED⊥平面A1FD1.

思路解析:(1)欲证线线垂直,先证线面垂直.易得AD⊥面D1DCC1,又D1F在平面上,所以AD⊥D1F.(2)求异面直线所成的角应先转化为求共面直线所成的角,方法是在其中一条直线所在平面内作另一条直线的平行线后求它们所成的角.(3)欲证面面垂直,可先证线面垂直.设法证明AE垂直于平面A1FD1,这又要转化为证线线垂直,即证明AE与平面A1FD1内两条相交直线A1D1、D1F分别垂直即可,这利用第(2)题的结论不难证明.此外,由于本题易建立空间右手直角坐标系,所以还可用坐标法求解.

解法一:(1)证明:由正方体ABCD—A1B1C1D1,可得AD⊥面D1DCC1.

∵D1F面D1DCC1,∴AD⊥D1F.

(2)解:如图,取AB的中点G,则易证得A1G∥D1F.

又正方形A1ABB1中,E、G分别是对应边的中点,

∴A1G⊥AE.∴D1F⊥AE.

∴AE与D1F所成的角为90°.

(3)证明:由正方体可知A1D1⊥面A1ABB1,∴A1D1⊥AE.

又由(2)已证D1F⊥AE.

∵A1D1∩D1F=D1,∴AE⊥平面A1FD1.

又AE平面AED,∴平面AED⊥平面A1FD1.

解法二:(1)证明:以D为原点,DA、DC、DD1的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向,建立坐标系.设正方体的棱长为1,得下列坐标:A(1,0,0),D(0,0,0),D1(0,0,1),E(1,1,),F(0,,0),A1(1,0,1).

∵=(-1,0,0), =(0,,-1),

∴·=(-1,0,0)·(0,,-1)=0,∴AD⊥D1F.

(2)解:∵=(0,1,),=(0,,-1),

∴cos〈,〉=

∴〈,〉=90°,

即AE与D1F所成的角是90°.

(3)设平面AED的法向量为m=(x,y,1),则m·=(x,y,1)·(1,0,0)=0,m·=(x,y,1)·(1,1,)=0,

即所以m=(0,-,1)为平面AED的法向量.

同理,设平面A1FD1的法向量为n=(x,y,1),则

n·=(x,y,1)·(-1,0,0)=0,n·=(x,y,1)·(0,,-1)=0.

可得n=(0,2,1)为平面A1FD1的法向量.

∵m·n=(0,-,1)·(0,2,1)=0,∴m⊥n,

即平面AED⊥平面A1FD1.

误区警示  解答这类题时可能会出现如下问题而导致解题失败:逻辑推理不清晰;定理使用不熟悉,记错使用定理的条件.

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