Question

如圖，在正四棱柱ABCD-A₁B₁C₁D₁中，，E是DD₁的中點．
（Ⅰ）求直線B₁D和平面A₁ADD₁所成角的大��；
（Ⅱ）求證：B₁D⊥AE；
（Ⅲ）求二面角C-AE-D的大�。�

Answer 1

【答案】分析：（Ⅰ）連接A₁D，根據(jù)題意可知A₁D是B₁D在平面A₁ADD₁上的射影，從而得到∠A₁DB₁是直線B₁D和平面A₁ADD₁所成的角，
在Rt△B₁A₁D中，求出此角即可；
（Ⅱ）根據(jù)比例關(guān)系可知△A₁AD～△ADE，從而得到∠A₁DA=∠AED，根據(jù)角與角的關(guān)系可知A₁D⊥AE，而A₁D是B₁D在平面A₁ADD₁上的射影，最后根據(jù)三垂線定理得結(jié)論；
（Ⅲ）設(shè)A₁D∩AE=F，連接CF，根據(jù)二面角的平面角的定義可知∠DFC是二面角C-AE-D的平面角，在Rt△ADE中，求出DF，在Rt△FDC中，求出角DFC，從而求出二面角C-AE-D的大�。�
解答：解：（Ⅰ）連接A₁D．∵ABCD-A₁B₁C₁D₁是正四棱柱，
∴A₁B₁⊥平面A₁ADD₁，
∴A₁D是B₁D在平面A₁ADD₁上的射影，
∴∠A₁DB₁是直線B₁D和平面A₁ADD₁所成的角（2分）
在Rt△B₁A₁D中，，
∴∠A₁DB₁=30°，
即直線B₁D和平面A₁ADD₁所成角的大小是30°（4分）

（Ⅱ）證明：在Rt△A₁AD和Rt△ADE中，
∵，
∴△A₁AD～△ADE，∴∠A₁DA=∠AED．
∴∠A₁DA+∠EAD=∠AED+∠EAD=90°，
∴A₁D⊥AE（7分）
由（Ⅰ）知，A₁D是B₁D在平面A₁ADD₁上的射影，
根據(jù)三垂線定理得，B₁D⊥AE（9分）

（Ⅲ）設(shè)A₁D∩AE=F，連接CF．∵CD⊥平面A₁ADD₁，且AE⊥DF，
根據(jù)三垂線定理得，AE⊥CF，∴∠DFC是二面角C-AE-D的平面角（11分）
在Rt△ADE中，由．
在Rt△FDC中，，∴∠DFC=60°，
即二面角C-AE-D的大小是60°（14分）
點評：本題主要考查了線面所成角，以及三垂線定理和二面角的度量，同時考查了空間想象能力，計算能力和轉(zhuǎn)化與劃歸的思想，屬于中檔題．