Question

如圖，正四棱柱ABCD-A₁B₁C₁D₁中，AB=1，AA₁=3，E、F分別在側(cè)棱BB₁、DD₁上，且BE=1，D₁F=1．
（1）求證：A、E、C₁、F四點(diǎn)共面；
（2）求平面AEC₁F與底面ABCD所成的銳二面角的大小．

Answer 1

【答案】分析：法一：（1）由ABC₁D₁，BED₁F，且平面ABE∥平面C₁D₁F，∠ABE=∠C₁D₁F=，知△ABE≌△C₁D₁F，由此能夠證明A、E、C₁、F四點(diǎn)共面．
（2）延長C₁E，CB交于G，連接AG，過B作BH⊥AG于H，連接EH，由正四棱柱ABCD-A₁B₁C₁D₁，得EB⊥平面ABCD，故EH⊥AG，所以∠EHB是所求的二面角的平面角，由此能求出平面AEC₁F與底面ABCD所成的銳二面角的大小．
（法二）（1）以C為原點(diǎn)，CD為x軸，CB為y軸，CC₁為z軸建立空間直角坐標(biāo)系，則C₁（0，0，3），F(xiàn)（1，0，2），A（1，，1，0），E（0，1，1），由此能證明A、E、C₁、F四點(diǎn)共面．
（2）設(shè)面EC₁FA的一個法向量為=（x，y，z），，由，得，又面ABCD的一個法向量為，由向量法能夠求出平面AEC₁F與底面ABCD所成的銳二面角的大�。�
解答：（法一）（1）證：∵ABC₁D₁，BED₁F，且平面ABE∥平面C₁D₁F，
∠ABE=∠C₁D₁F=，
∴△ABE≌△C₁D₁F，…（3分）
∴，∴A、E、C₁、F四點(diǎn)共面．…（6分）
（2）延長C₁E，CB交于G，連接AG，過B作BH⊥AG于H，連接EH，
由正四棱柱ABCD-A₁B₁C₁D₁，得EB⊥平面ABCD，∴EH⊥AG，
∴∠EHB是所求的二面角的平面角，…（9分）
由△GBE∽△GCC₁得=，∴GB=，在Rt△ABG中，
AG=，BH==，
∴tan∠EHB==，…（11分）
所以平面AEC₁F與底面ABCD所成的銳二面角的大小為arctan．…（12分）
（法二）（1）以C為原點(diǎn)，CD為x軸，CB為y軸，CC₁為z軸建立如圖所示的空
間直角坐標(biāo)系，則C₁（0，0，3），F(xiàn)（1，0，2），A（1，，1，0），E（0，1，1），…（2分）
∴，，
∴C₁F∥EA，∴A、E、C₁、F四點(diǎn)共面．…（6分）
（2）設(shè)面EC₁FA的一個法向量為=（x，y，z），∵，
由，得，
又面ABCD的一個法向量為，…（9分）
∴cos＜＞===，…（11分）
所以平面AEC₁F與底面ABCD所成的銳二面角的大小為arccos．（12分）
點(diǎn)評：本題考查四點(diǎn)共面的證明，考查二面角的求法，解題時要認(rèn)真審題，注意合理地化空間幾何為平面幾何進(jìn)行求解，解題時要注意向量法的合理運(yùn)用．