Question

如圖，在長方體中,，點是棱上的一個動點.

(1)證明:；
(2)當(dāng)為的中點時，求點到面的距離；
(3)線段的長為何值時，二面角的大小為.

Answer 1

（1）詳見解析；（2）；（3）.

試題分析：解決立體幾何中的垂直、距離及空間角，有幾何法與空間向量法，其中幾何法，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力及扎實的立體幾何理論知識；向量法，則要求學(xué)生能根據(jù)題意準(zhǔn)確建立空間直角坐標(biāo)系，寫出有效點、有效向量的坐標(biāo)必須準(zhǔn)確無誤，然后將立體幾何中的問題的求解轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)的運算問題，這也需要學(xué)生具備較好的代數(shù)運算能力.
幾何法：（1）要證，只須證明平面，然后根據(jù)線面垂直的判定定理進(jìn)行尋找條件即可；（2）運用的關(guān)系進(jìn)行計算即可求出點到面的距離；（3）先作于，連接，然后充分利用長方體的性質(zhì)證明為二面角的平面角，最后根據(jù)所給的棱長與角度進(jìn)行計算即可得到線段的長.
向量法： (1)建立空間坐標(biāo)，分別求出的坐標(biāo)，利用數(shù)量積等于零即可；(2)當(dāng)為的中點時，求點到平面的距離，只需找平面的一條過點的斜線段在平面的法向量上的投影即可；(3)設(shè)，因為平面的一個法向量為，只需求出平面的法向量，然后利用二面角為，根據(jù)夾角公式，求出即可.
試題解析：解法一：(1)∵平面，∴，又∵，∩，∴平面，                      4分
(2)等體積法：由已知條件可得，，，所以為等腰三角形
=， ，設(shè)點到平面的距離，根據(jù)可得，，即，解得         8分
(3)過點作于，連接

因為平面，所以，又，∩，所以平面
故，為二面角的平面角
所以，，，，
由可得，                14分
解法二: 以為坐標(biāo)原點,直線分別為軸,建立空間直角坐標(biāo)系

設(shè),則,
(1),,故；
(2)因為為的中點,則,從而, ,設(shè)平面的法向量為,則也即,得,從而,所以點到平面的距離為 ；
(3)設(shè)平面的法向量, 而, 由,即,得,依題意得: , ,解得 (不合,舍去),
∴時,二面角的大小為.