Question

如圖所示的多面體是由底面為ABCD的長方體被截面AEC₁F所截面而得到的，其中AB=4，BC=2，CC₁=3，BE=1．
（Ⅰ）求BF的長；
（Ⅱ）求點C到平面AEC₁F的距離．

Answer 1

【答案】分析：解法1：
（1）因為多面體是由底面為ABCD的長方體被截面AEC₁F所截面而得到的，所以AF∥EC₁，AE∥FC₁，過E作EH∥BC交CC₁于H，則CH=BE=1，所以DF=C₁H=2．故BF==2．
（2）在立體幾何中，求點到平面的距離是一個常見的題型，同時求直線到平面的距離、平行平面間的距離及多面體的體積也常轉(zhuǎn)化為求點到平面的距離．本題采用的是“找垂面法”：即找（作）出一個過該點的平面與已知平面垂直，然后過該點作其交線的垂線，則得點到平面的垂線段．延長C₁E與CB交于G，連AG，則平面AEC₁F與平面ABCD相交于AG．過C作CM⊥AG，垂足為M，連C₁M，由三垂線定理可知AG⊥C₁M．由于AG⊥面C₁MC，且AG?面AEC₁F，所以平面AEC₁F⊥面C₁MC．在Rt△C₁CM中，作CQ⊥MC₁，垂足為Q，則CQ的長即為C到平面AEC₁F的距離．
解法2：
以D為坐標原點，分別以DA、DC、DF為x、y、z軸，建立空間直角坐標系O-xyz，則D（0，0，0），B（2，4，0），A（2，0，0），C（0，4，0），E（2，4，1），C₁（0，4，3）．設F（0，0，z）．這種解法的好處就是：（1）解題過程中較少用到空間幾何中判定線線、面面、線面相對位置的有關(guān)定理，因為這些可以用向量方法來解決．（2）即使立體感稍差一些的學生也可以順利解出，因為只需畫個草圖以建立坐標系和觀察有關(guān)點的位置即可．
（1）由AEC₁F為平行四邊形，運用向量的模的計算方法，可得BF的長度；
（2）運用向量坐標運算計算點到平面的距離，可以先設出此平面的法向量，設為平面AEC₁F的法向量，顯然不垂直于平面ADF，故可設=（x，y，1）．進一步可以求得C到平面AEC₁F的距離．
解答：解法1：（Ⅰ）過E作EH∥BC交CC₁于H，則CH=BE=1，EH∥AD，且EH=AD．
又∵AF∥EC₁，∴∠FAD=∠C₁EH．
∴Rt△ADF≌Rt△EHC₁．∴DF=C₁H=2．∴BF==2．
（Ⅱ）延長C₁E與CB交于G，連AG，
則平面AEC₁F與平面ABCD相交于AG．
過C作CM⊥AG，垂足為M，連C₁M，
由三垂線定理可知AG⊥C₁M．由于AG⊥面C₁MC，且
AG?面AEC₁F，所以平面AEC₁F⊥面C₁MC．在Rt△C₁CM中，作CQ⊥MC₁，垂足為Q，則CQ的長即為C到平面AEC₁F的距離．
由=可得，BG=1，從而AG==．
由∠GAB=∠MCG知，CM=3cosMCG=3cosGAB=3×=，∴CQ===
解法2：（I）建立如圖所示的空間直角坐標系，則D（0，0，0），B（2，4，0），A（2，0，0），C（0，4，0），E（2，4，1），C₁（0，4，3）．設F（0，0，z）．
∵AEC₁F為平行四邊形，∴由AEC₁F為平行四邊形，∴由=得，（-2，0，z）=（-2，0，2），∴z=2．∴F（0，0，2）．∴=（-2，-4，2）．于是||=2，即BF的長為2．
（II）設為平面AEC₁F的法向量，顯然不垂直于平面ADF，故可設=（x，y，1）．
⇒即∴
又=（0，0，3），設與的夾角為a，則cosα==．
∴C到平面AEC₁F的距離為d=||cosα=3×=．
點評：本小題主要考查空間中的線面關(guān)系、點到面的距離等基本知識，同時考查空間想象能力和推理、運算能力．