Question

如圖1所示，在邊長(zhǎng)為12的正方形ADD₁A₁中，點(diǎn)B，C在線段AD上，且AB=3，BC=4，作BB₁∥AA₁，分別交A₁D₁，AD₁于點(diǎn)B₁，P，作CC₁∥AA₁，分別交A₁D₁，AD₁于點(diǎn)C₁，Q，將該正方形沿BB₁，CC₁折疊，使得DD₁與AA₁重合，構(gòu)成如圖2所示的三棱柱ABC-A₁B₁C₁．
（Ⅰ）求證：AB⊥平面BCC₁B₁；
（Ⅱ）求四棱錐A-BCQP的體積；
（Ⅲ）求平面PQA與平面BCA所成銳二面角的余弦值．

Answer 1

【答案】分析：（Ⅰ）證明直線與平面垂直，關(guān)鍵要找到兩條相交直線與之都垂直．在這個(gè)“折疊問(wèn)題”中，要把握好不變的長(zhǎng)度關(guān)系、線線關(guān)系、線面關(guān)系，比如：AB=3，BC=4，AC=5，所以AB⊥BC；四邊形ADD₁A₁為正方形，AA₁∥BB₁，所以AB⊥BB₁．
（Ⅱ）本題的兩問(wèn)是遞進(jìn)式的，第（1）問(wèn)是為第（2）問(wèn)作鋪墊的．因?yàn)锳B⊥平面BCC₁B₁，所以AB為四棱錐A-BCQP的高，并且四邊形BCQP為直角梯形．
（Ⅲ）由（Ⅰ）、（Ⅱ）可知，AB，BC，BB₁兩兩互相垂直．以B為原點(diǎn)，分別以BC、BB₁、BA為x、y、z軸，建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系B-xyz，這種解法的好處就是：（1）解題過(guò)程中較少用到空間幾何中判定線線、面面、線面相對(duì)位置的有關(guān)定理，因?yàn)檫@些可以用向量方法來(lái)解決．（2）即使立體感稍差一些的學(xué)生也可以順利解出，因?yàn)橹恍璁?huà)個(gè)草圖以建立坐標(biāo)系和觀察有關(guān)點(diǎn)的位置即可．
解答：（Ⅰ）證明：在正方形ADD₁A₁中，因?yàn)镃D=AD-AB-BC=5，
所以三棱柱ABC-A₁B₁C₁的底面三角形ABC的邊AC=5．
因?yàn)锳B=3，BC=4，
所以AB²+BC²=AC²，所以AB⊥BC．（2分）
因?yàn)樗倪呅蜛DD₁A₁為正方形，AA₁∥BB₁，
所以AB⊥BB₁，而B(niǎo)C∩BB₁=B，
所以AB⊥平面BCC₁B₁．（5分）
（Ⅱ）解：因?yàn)锳B⊥平面BCC₁B₁，
所以AB為四棱錐A-BCQP的高．
因?yàn)樗倪呅蜝CQP為直角梯形，且BP=AB=3，CQ=AB+BC=7，
所以梯形BCQP的面積為．
所以四棱錐A-BCQP的體積．（9分）
（Ⅲ）解：由（Ⅰ）、（Ⅱ）可知，AB，BC，BB₁兩兩互相垂直．以B為原點(diǎn)，建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系B-xyz，

則A（0，0，3），B（0，0，0），C（4，0，0），P（0，3，0），Q（4，7，0），
所以，，
設(shè)平面PQA的一個(gè)法向量為n₁=（x，y，z）．
則即
令x=-1，則y=z=1．
所以n₁=（-1，1，1）．（12分）
顯然平面BCA的一個(gè)法向量為n₂=（0，1，0）．
設(shè)平面PQA與平面BCA所成銳二面角為θ．
則．
所以平面PQA與平面BCA所成銳二面角的余弦值為．（14分）
點(diǎn)評(píng)：本小題主要考查空間線面關(guān)系、二面角的度量、幾何體的體積等知識(shí)，考查數(shù)形結(jié)合、化歸與轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想方法，以及空間想象能力、推理論證能力和運(yùn)算求解能力