Question

如圖：直平行六面體ABCD-A₁B₁C₁D₁，底面ABCD是邊長為2a的菱形，∠BAD=60°，E為AB中點(diǎn)，二面角A₁-ED-A為60°．
（I）求證：平面A₁ED⊥平面ABB₁A₁；
（II）求二面角A₁-ED-C₁的余弦值；
（III）求點(diǎn)C₁到平面A₁ED的距離．

Answer 1

【答案】分析：（I）由題意及△ABD為正三角形，和平面ABB₁A₁⊥平面ABCD且交于AB，利用面面垂直的判定定理即可得證；
（II）由（I）的過程及直平行六面體ABCD-A₁B₁C₁D₁中AA₁⊥面ABCD．利用三垂線定理的逆定理及條件得到二面角的平面角，然后在三角形中求解即可；
（III）由題意及平面A₁ED⊥面ABB₁A₁的性質(zhì)定理得到FG是點(diǎn)F到平面A₁ED的距離，然后在三角形中解出即可．
解答：解：（I）證明：連接BD，在菱形ABCD中，∠BAD=60°，
∴△ABD為正三角形，
∵E為AB的中點(diǎn)，
∴ED⊥AB，
在直六面體ABCD-A₁B₁C₁D₁中：
平面ABB₁A₁⊥平面ABCD且交于AB，
∵ED?面ABCD∴ED⊥面ABB₁A₁，
∴平面A₁ED⊥平面ABB₁A₁．
（II）解：由（I）知：ED⊥面ABB₁A₁
∵A₁E?面ABB₁A₁
∴A₁E⊥ED
又在直平行六面體ABCD-A₁B₁C₁D₁中：AA₁⊥面ABCD，
由三垂線定理的逆定理知：AE⊥ED，
∴∠A₁EA=60°，
取BB₁的中點(diǎn)F，連EF．AB₁，則EF，在直平行六面體ABCD-A₁B₁C₁D₁中：AB₁DC₁
∴EF
∴E．F．C₁、D四點(diǎn)共面，
∵ED⊥面ABB₁A₁且EF?面ABB₁A₁
∴EF⊥ED
∴∠A₁EF為二面角A₁-ED-C₁的平面角，
在Rt△A₁AE中：，
在Rt△EBF中：，
在Rt△A₁B₁F中：
∴在Rt△A₁EF中：，
∴二面角A₁-ED-C₁的余弦值為，
（III）過F作FG⊥A₁E交A₁E于G點(diǎn)
∵平面A₁ED⊥面ABB₁A₁
且平面A₁ED∩面ABB₁A₁=A₁E
∴FG⊥平面A₁ED，
即：FG是點(diǎn)F到平面A₁ED的距離，
在Rt△EGF中：
∴
∴，
∵EF且E．D∈面A₁ED
∴點(diǎn)C₁到平面A₁ED的距離為．
點(diǎn)評：此題重點(diǎn)考查了面面垂直的性質(zhì)定理及面面垂直的判定定理，線面垂直的判定定理及性質(zhì)定理，還考查了利用三垂線定理或其逆定理求找二面角平面角的方法，同時(shí)考查了學(xué)生的空間想象能力及利用三角形求角的大小的計(jì)算能力．