题目内容

(1)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F分别为AB、BC的中点,
(Ⅰ)求证:EF∥面A1C1B.
(Ⅱ)求B1D与平面A1C1B所成的角度数.
(2)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F,G,H分别为AA1,AB,BB1,B1C1的中点,求异面直线EF与GH所成的角.
(3)如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,平面ABC1D1与正方体的其它各个面所成二面角的大小分别是多少?
分析:(1)(Ⅰ)先建立空间直角坐标系,欲证EF∥面A1C1B,只需证明EF平行于平面A1C1B内的一条直线,利用空间向量证明
EF
与
A1C1
是平行向量,即可证明EF∥A1C1,而A1C1是平面A1C1B内的一条直线,所以EF∥面A1C1B.
(Ⅱ)欲求B1D与平面A1C1B所成的角,只需证明DB1⊥平面BA1C1,则B1D与平面A1C1B所成的角为90°,利用空间向量证明
DB1⊥平面BA1C1,先求出
DB1
,以及平面A1C1B中两个向量
A1C1
,
BA1
,用计算
DB1
•  
A1C1
,
DB1
•
BA1
,都等于0,即可证明DB1⊥平面BA1C1,求出B1D与平面A1C1B所成的角的度数.
(2)欲求异面直线EF与GH所成的角,只需求出向量
EF
,
GH
的夹角,再结合异面直线所成角的范围判断异面直线EF与GH所成的角应为向量
EF
,
GH
夹角的补角.
(3)先求出平面ABC1D1的法向量,再求出正方体各面的法向量,平面ABC1D1的法向量与正方体各面的法向量所成角即为平面ABC1D1与正方体的各个面所成二面角的大小.
解答:解:设正方体棱长为1,如图建立空间直角坐标系,则A(1,0,0),B(1,1,0),C(0,1,0),A1(1,0,1),B1(1,1,1),C1(0,1,1)
(1)(Ⅰ)∵E(1,
1
2
,0),F(
1
2
,1,0),∴
EF
=(-
1
2
,
1
2
,0),
∵
A1C1
=(-1,1,0),∴
EF
=
1
2
A1C1
,∴EF∥A1C1,
∵A1C1?平面A1C1B,∴EF∥面A1C1B
(Ⅱ)∵
DB1
=(1,1,1),
A1C1
=(-1,1,0),
BA1
=(0,-1,1)
∴
DB1
•
A1C1
=-1×1+1×1+1×0=0,
DB1
•
BA1
=-1×1+1×1+1×0=0
∴DB1⊥A1C1,DB1⊥A1B,A1C1∩A1B=A1,
∴DB1⊥平面BA1C1,
∴B1D与平面A1C1B所成的角度数为90°
(2)∵E(1,0,
1
2
),F((1,
1
2
,0),G(1,1,
1
2
),H(
1
2
,1,1)
∴
EF
=(0,
1
2
,-
1
2
),
GH
=(-
1
2
,0,
1
2
)
∵cos<
EF
,
GH
>=
EF
•
GH
|
EF|
•|
GH
|
=
-
1
4
2
2
×
2
2
=-
1
2

∴<
EF
,
GH
>=120°,异面直线所成的角范围为(0,
π
,2
)
∴异面直线EF与GH所成的角为60°
(3)∵DA1⊥AD1,DA1⊥AB,
∴DA1⊥平面ABC1D1,
∴平面ABC1D1的法向量为
DA1
=(1,0,1)
由正方体的性质可知:平面ABCD的法向量为
DD1
=(0,0,1);
平面AD1的法向量为
DC
=(0,1,0);平面CD1的法向量为
DA
=(1,0,0);
cos<
DA1
,
DD1
>=
2
2
,cos<
DA1
,
DC
>=0,cos<
DA1
,
DA
>=
2
2
,
∴平面ABC1D1与正方体的其它各个面所成二面角的大小分别是45°,90°,45°
点评:本题主要考查了在正方体中,线面平行的证明,异面直线所成角,线面角,二面角的计算,考查了学生的空间想象能力,转换能力,识图能力以及计算能力.
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