如圖,在棱長為a的正方體ABCD-A1B1C1D1中,點E,F(xiàn)分別為棱BC,DC上的動點,且BE=CF.
(1)求證:B1F⊥D1E;
(2)當三棱錐C1-FCE的體積取到最大值時,求二面角C1-FE-C的正切值.
分析:(1)因為是正方體,又是空間垂直問題,所以易采用向量法,所以建立如圖所示的空間直角坐標系D-xyz,欲證B1F⊥D1E,只須證
D1E
B1F
=0
再用向量數(shù)量積公式求解即可.
(2)由題意可得:當三棱錐C1-FCE的體積取到最大值時,即其底面積△FEC最大,可得點E、F分別是BC、CD的中點時取最大值,再根據(jù)線面關系得到∠C1OC為二面角C1-FE-C的平面角,進而利用解三角形的有關知識求出答案即可.
解答:解:(1)如圖,以D為坐標原點,直線DA、DC、DD1分別x軸、y軸、z軸,建立空間直角坐標系,
如圖所示:
設BE=CF=b,
則D1(0,0,a),E(a-b,a,0),F(xiàn)(0,a-b,0),B1(a,a,a),
所以
D1E
=(a-b, a,-a)
B1F
=(-a, -b,-a)
,
所以 
D1E
B1F
=0

所以B1F⊥D1E.
(2)由題意可得:當三棱錐C1-FCE的體積取到最大值時,即其底面積△FEC最大,即S△FEC=
1
2
b(a-b)最大,
由二次函數(shù)的性質可得:當b=
a
2
時,其底面積取最大值,即點E、F分別是
BC、CD的中點,
所以C1F=C1E,CE=CF.
取EF的中點為O,連接C1O,CO,
所以C1O⊥EF,CO⊥EF,
所以∠C1OC為二面角C1-FE-C的平面角.
在△C1OC中,C1C=a,CO=
2
a
4
,所以tan∠C1OC=2
2

所以二面角C1-FE-C的正切值為2
2
點評:本題主要考查向量證明線線的垂直關系,以及考查幾何體的體積與二面角的平面角等問題,也可以利用向量的方法解決二面角的問題,次方法比較方便靈活,是常考類型,屬中檔題.
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A.
B.
C.
D.

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