题目内容

【题目】如图,在四棱柱ABCDA1B1C1D1中,侧棱A1A⊥底面ABCD,AB⊥AC,AB=1,AC=AA1=2,AD=CD=,且点M和N分别为B1C和D1D的中点.

(Ⅰ)求证:MN∥平面ABCD;

(Ⅱ)求二面角D1-AC-B1的正弦值;

(Ⅲ)设E为棱A1B1上的点.若直线NE和平面ABCD所成角的正弦值为,求线段A1E的长.

【答案】(Ⅰ)详见解析 (Ⅱ)(Ⅲ)

【解析】

如图,以A为原点建立空间直角坐标系,依题意可得A(0,0,0),B(0,1,0),C(2,0,0),D(1,-2,0),A1(0,0,2),B1(0,1,2),C1(2,0,2),D1(1,-2,2),又因为M,N分别为B1C和D1D的中点,得 M,N(1,-2,1).

(Ⅰ)依题意,可得n=(0,0,1)为平面ABCD的一个法向量,=,

由此可得,n=0,又因为直线MN平面ABCD,

所以MN∥平面ABCD.

(Ⅱ)=(1,-2,2),=(2,0,0),

设n1=(x1,y1,z1)为平面ACD1的法向量,则

即

不妨设z1=1,

可得 n1=(0,1,1),

设n2=(x2,y2,z2)为平面ACB1的一个法向量,

则又=(0,1, 2),得

,不妨设z2=1,可得n2=(0,-2,1).

因此有cos〈n1,n2〉==-,

于是sin〈n1,n2〉=,

所以二面角D1-AC-B1的正弦值为.

(Ⅲ)依题意,可设,其中λ∈[0,1],则E(0,λ,2),从而=(-1,λ+2,1),又n=(0,0,1)为平面ABCD的一个法向量,由已知得

cos〈,n〉===,整理得λ2+4λ-3=0,又因为λ∈[0,1],解得λ=-2,

所以线段A1E的长为-2.

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