题目内容
如图,在直三棱柱ABCA1B1C1中,AB=BC=2AA1,∠ABC=90°,D是BC的中点.
(1)求证:A1B∥平面ADC1;
(2)求二面角C1ADC的余弦值;
(3)试问线段A1B1上是否存在一点E,使AE与DC1成60°角?若存在,确定E点位置;若不存在,说明理由.
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解:(1)连接A1C,交AC1于点O,连接OD.
由ABCA1B1C1是直三棱柱,得四边形ACC1A1为矩形,O为A1C的中点.
又D为BC的中点,所以OD为△A1BC的中位线,
所以A1B∥OD,
因为OD⊂平面ADC1,A1B⊄平面ADC1,
所以A1B∥平面ADC1.
(2)由ABCA1B1C1是直三棱柱,且∠ABC=90°,得BA、BC、BB1两两垂直.以B为坐标原点,以BC、BA、BB1所在直线分别为x、y、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Bxyz.
设BA=2,则B(0,0,0),C(2,0,0),A(0,2,0),C1(2,0,1),D(1,0,0),
所以
=(1,-2,0),
=(2,-2,1)
设平面ADC1的法向量为n=(x,y,z),
则有![]()
所以
取y=1,得n=(2,1,-2).
易知平面ADC的一个法向量为v=(0,0,1).
所以cos 〈n,v〉=
=-
.
因为二面角C1ADC是锐二面角,
所以二面角C1ADC的余弦值为
.
(3)假设存在满足条件的点E.
因为点E在线段A1B1上,A1(0,2,1),B1(0,0,1),故可设E(0,λ,1),其中0≤λ≤2.
所以
=(0,λ-2,1),
=(1,0,1).
因为AE与DC1成60°角,所以
|cos 〈
,
〉|=|
=
.
即|
|=
,解得λ=1或λ=3(舍去).
所以当点E为线段A1B1的中点时,AE与DC1成60°角.
可得
, 所以
从而有,
,
由
,得
此时
.
当且仅当
,
时,
成等比数列