Question

 如圖，在直三棱柱ABC－A₁B₁C₁中，AB＝BC，D、E分別為BB₁、AC₁的中點．

（Ⅰ）證明：ED為異面直線BB₁與AC₁的公垂線；         

（Ⅱ）設(shè)AA₁＝AC＝AB，求二面角A₁－AD－C₁的大小。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Answer 1

【答案】

 解法一：（Ⅰ）設(shè)O為AC中點，連接EO，BO，則EO∥＝C₁C，又C₁C∥＝B₁B，所以EO∥＝DB，EOBD為平行四邊形，ED∥OB．     ……2分

∵AB＝BC，∴BO⊥AC，

又平面ABC⊥平面ACC₁A₁，BOÌ面ABC，故BO⊥平面ACC₁A₁，

∴ED⊥平面ACC₁A₁，BD⊥AC₁，ED⊥CC₁，

∴ED⊥BB₁，ED為異面直線AC₁與BB₁的公垂線．……6分

（Ⅱ）連接A₁E，由AA₁＝AC＝AB可知，A₁ACC₁為正方形，

∴A₁E⊥AC₁，又由ED⊥平面ACC₁A₁和EDÌ平面ADC₁知平面

ADC₁⊥平面A₁ACC₁，∴A₁E⊥平面ADC₁．作EF⊥AD，垂足為F，連接A₁F，則A₁F⊥AD，∠A₁FE為二面角A₁－AD－C₁的平面角．

不妨設(shè)AA₁＝2，則AC＝2，AB＝ED＝OB＝1，EF＝＝，

tan∠A₁FE＝，∴∠A₁FE＝60°．

所以二面角A₁－AD－C₁為60°．          ………12分

解法二：

（Ⅰ）如圖，建立直角坐標系O－xyz，其中原點O為AC的中點．

設(shè)A(a，0，0)，B(0，b，0)，B₁(0，b，2c)．

則C(－a，0，0)，C₁(－a，0，2c)，E(0，0，c)，D(0，b，c)．   ……3分

＝（0，b，0），＝(0，0，2c)．

·＝0，∴ED⊥BB₁．

又＝(－2a，0，2c)，

·＝0，∴ED⊥AC₁，    ……6分

所以ED是異面直線BB₁與AC₁的公垂線．

（Ⅱ）不妨設(shè)A(1，0，0)，則B(0，1，0)，C(－1，0，0)，A₁(1，0，2)，

＝(－1，－1，0)，＝(－1，1，0)，＝(0，0，2)，

·＝0，·＝0，即BC⊥AB，BC⊥AA₁，又AB∩AA₁＝A，

∴BC⊥平面A₁AD．

又　　E(0，0，1)，D(0，1，1)，C(－1，0，1)，

＝(－1，0，－1)，＝(－1，0，1)，＝(0，1，0)，

·＝0，·＝0，即EC⊥AE，EC⊥ED，又AE∩ED＝E，

∴　　EC⊥面C₁AD．　　……10分

cos＜，＞＝＝，即得和的夾角為60°．

所以二面角A₁－AD－C₁為60°．