三、解答题

(20)(本小题满分12分)

如图,在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中:AB=1,BB1=+1,E为BB1上

使B1E=1的点,平面AEC1交DD1于F,交A1D1的延长线于G.求:

(Ⅰ)异面直线AD与C1G所成的角的大小;

(Ⅱ)二面角A-C1G-A1的正切值.

(本小题12分)

   解法一:

   (Ⅰ)由AD∥D1G知∠C1GD1为异面直线AD与C1G所成的角.

         连接C1F。因为AE和C1F分别是平行平面ABB1A1和CC1D1D

        与平面AEC1G的交线,所以AE∥C1F,由此可得D1F=BE=.

        再△FD1G∽△FDA得D1G=.

在Rt△C1D1G中,由C1D1=1,D1G=得∠C1GD1=.

   (Ⅱ)作D1H⊥C1G于H,连接FH,由三垂线定理知FH⊥C1G,

故∠D1HF为二面角F-C1G-D1即二面角A-C1G-A1的平面角.

     在Rt△GHD1中,由D1G=,∠D1GH=得D1H=.从而

tanD1HF=

解法二:

(Ⅰ)由AD∥D1G知∠C1GD1为异面直线AD与C1G所成的角.

因为EC1和AF是平行平面BB1C1C与AA1D1D与平面AEC1G的交线,

所以EC1∥AF.

由此可得∠AGA1=∠EC1B1=,

从而A1G=AA1=,于是D1G=

在Rt△C1D1G中,由C1D1=1,D1G=得∠C1GD1=

(Ⅱ)在△A1C1G中,由∠C1A1G=,∠A1GC1=知∠A1C1G为钝角,

作A1H⊥GC1交GC1的延长线于H,连接AH.由三垂线定理知GH⊥AH,

故∠AHA1为二面角A-C­1G­-A1的平面角.

在Rt△A1HG中,由A1C=,∠A1GH=得A1H=

从而  tanAHA1=

解法三:

(Ⅰ)以A1为原点,A1B1,A1D1,A­1A所在直线分别为x轴,

y轴和z轴建立如图所示的空间直角坐标系.于是,A(0,0,+1),

C1(1,1,0),D(0,1,+1),E(1,0,1)、=(0,1,0),

=(0,1,-1)

因为EC1和AF分别是平行平面BB1C­1C和AA1D1D与平面AEC1G的交线,

所以EC1∥AF,设G(0,y,0),

则

由∥得于是y=+1.

故G(0,+1,0)(-1,,0).

设异面直线AD与C1G所成的角的大小为θ,则

从而    θ=

(Ⅱ)作A1H⊥C1G于H.由三垂线定理知AH⊥CH,故∠AHA1为

二面角A-C1G-A1的平面角.

设H(a,b,0),则

由A1H⊥C­1G得,由此得a-b=0.        ①

又由H1C1,G共线得∥,从而于是

      ②

联立①和②得a=

由|得

tan AHA1=

 

 

 

 

 

 

 

 

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