Question

20．如圖，在長(zhǎng)方體ABCD-A₁B₁C₁D₁中，AA_l=AB=2AD=2，E為AB的中點(diǎn)，F(xiàn)為D₁E
上的一點(diǎn)，D₁F=2FE．
（l）證明：平面DFC⊥平面D₁EC；
（2）求二面角A-DF-C的大小．

Answer 1

分析 （1）以D為原點(diǎn)，分別以DA、DC、DD₁所在直線(xiàn)為x軸、y軸、z軸建立如圖所示空間直角坐標(biāo)系，利用向量法能證明平面DFC⊥平面D₁EC．
（2）求出平面ADF的法向量和平面ADF的一個(gè)法向量，利用向量法能求出二面角A-DF-C的大�。�

解答 證明：（1）以D為原點(diǎn)，分別以DA、DC、DD₁所在直線(xiàn)為x軸、y軸、z軸，
建立如圖所示空間直角坐標(biāo)系，
則A（1，0，0），B（1，2，0），C（0，2，0），
D₁（0，0，2）．∵E為AB的中點(diǎn)，∴E點(diǎn)坐標(biāo)為E（1，1，0），
∵D₁F=2FE，
∴$\overrightarrow{D{\;}_1F}=\frac{2}{3}\overrightarrow{{D_1}E}=\frac{2}{3}（1，1，-2）=（\frac{2}{3}，\frac{2}{3}，-\frac{4}{3}）$，
$\overrightarrow{DF}=\overrightarrow{D{D_1}}+\overrightarrow{{D_1}F}=（0，0，2）+（\frac{2}{3}，\frac{2}{3}，-\frac{4}{3}）=（\frac{2}{3}，\frac{2}{3}，\frac{2}{3}）$…（2分）
設(shè)$\overrightarrow{n}$=（x，y，z）是平面DFC的法向量，
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{DF}=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{DC}=0}\end{array}\right.$，∴$\left\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}x+\frac{2}{3}y+\frac{2}{3}z=0\\ 2y=0\end{array}\right.$
取x=1得平面FDC的一個(gè)法向量$\overrightarrow{n}$=（1，0，-1），…（3分）
設(shè)$\overrightarrow{p}$=（x，y，z）是平面ED₁C的法向量，
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{p}•\overrightarrow{{D}_{1}F}=0}\\{\overrightarrow{p}•\overrightarrow{{D}_{1}C}=0}\end{array}\right.$，∴$\left\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}x+\frac{2}{3}y-\frac{4}{3}z=0\\ 2y-2z=0\end{array}\right.$，
取y=1得平面D₁EC的一個(gè)法向量$\overrightarrow{p}$=（1，1，1），…（4分）
∵$\overrightarrow{n}$•$\overrightarrow{p}$=（1，0，-1）•（1，1，1）=0，
∴平面DFC⊥平面D₁EC．…（5分）
（2）設(shè)$\overrightarrow{q}$=（x，y，z）是平面ADF的法向量，
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{q}•\overrightarrow{DF}=0}\\{\overrightarrow{q}•\overrightarrow{DA}=0}\end{array}\right.$，∴$\left\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}x+\frac{2}{3}y+\frac{2}{3}z=0\\ x=0\end{array}\right.$，
取y=1得平面ADF的一個(gè)法向量$\overrightarrow{q}$=（0，1，-1），…（7分）
設(shè)二面角A-DF-C的平面角為θ，由題中條件可知$θ∈（\frac{π}{2}，π）$，
則cosθ=-$\frac{|\overrightarrow{n}•\overrightarrow{q}|}{|\overrightarrow{n}|•|\overrightarrow{q}|}$=-$\frac{0+0+1}{{\sqrt{2}×\sqrt{2}}}=-\frac{1}{2}$，…（9分）
∴二面角A-DF-C的大小為120°．…（10分）

點(diǎn)評(píng) 本題考查面面垂直的證明，考查二面角的大小的求法，是中檔題，解題時(shí)要認(rèn)真審題，注意向量法的合理運(yùn)用．