Question

（08年黃岡中學二模）如圖，直三棱柱A₁B₁C₁―ABC中，C₁C=CB=CA=2，AC⊥CB. D、E分別為棱C₁C、B₁C₁的中點.

    （Ⅰ）求與平面A₁C₁CA所成角的大小；

    （Ⅱ）求二面角B―A₁D―A的大小；

    （Ⅲ）試在線段AC上確定一點F，使得EF⊥平面A₁BD.

 

Answer 1

解析：（Ⅰ）連接A₁C.∵A₁B₁C₁－ABC為直三棱柱，∴CC₁⊥底面ABC，∴CC₁⊥BC.

       ∵AC⊥CB，∴BC⊥平面A₁C₁CA.

       ∴為與平面A₁C₁CA所成角，.

∴與平面A₁C₁CA所成角為.

（Ⅱ）分別延長AC，A₁D交于G. 過C作CM⊥A₁G 于M，連結BM，

       ∵BC⊥平面ACC­₁A₁，∴CM為BM在平面A₁C₁CA內的射影，

       ∴BM⊥A₁G，∴∠CMB為二面角B―A₁D―A的平面角，

       平面A₁C₁CA中，C₁C=CA=2，D為C₁C的中點，

       ∴CG=2，DC=1 在直角三角形CDG中，，.

       即二面角B―A₁D―A的大小為.

（Ⅲ）取線段AC的中點F，則EF⊥平面A₁BD.

證明如下：

∵A₁B₁C₁―ABC為直三棱柱，∴B₁C₁//BC，

∵由（Ⅰ）BC⊥平面A₁C₁CA，∴B₁C₁⊥平面A₁C₁CA，

∵EF在平面A₁C₁CA內的射影為C₁F，當F為AC的中點時，

C₁F⊥A₁D，∴EF⊥A₁D.

同理可證EF⊥BD，∴EF⊥平面A₁BD.

解法二：

（Ⅰ）同解法一

（Ⅱ）∵A₁B₁C₁―ABC為直三棱柱，C₁C=CB=CA=2，

AC⊥CB，D、E分別為C₁C、B₁C₁的中點.

建立如圖所示的坐標系得：

C（0，0，0），B（2，0，0），A（0，2，0），

C₁（0，0，2）， B₁（2，0，2）， A­₁（0，2，2），

D（0，0，1）， E（1，0，2）.

，設平面A₁BD的法向量為，

  .

平面ACC₁A₁­的法向量為=（1，0，0），.

即二面角B―A₁D―A的大小為.

（Ⅲ）F為AC上的點，故可設其坐標為（0，，0），∴.

由（Ⅱ）知是平面A₁BD的一個法向量，

欲使EF⊥平面A₁BD，當且僅當// 

∴，∴當F為AC的中點時，EF⊥平面A₁BD.