题目内容
[2012·重庆卷] 已知在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=4,AC=BC=3,D为AB的中点.
(1)求异面直线CC1和AB的距离;
(2)若AB1⊥A1C,求二面角A1-CD-B1的平面角的余弦值.
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图1-3
解:(1)因AC=BC,D为AB的中点,故CD⊥AB.
又直三棱柱中,CC1⊥面ABC,故CC1⊥CD,所以异面直线CC1和AB的距离为CD=
=
.
(2)解法一:由CD⊥AB,CD⊥BB1,故CD⊥面A1ABB1,从而CD⊥DA1,CD⊥DB1,故∠A1DB1为所求的二面角A1-CD-B1的平面角.
因A1D是A1C在面A1ABB1上的射影,又已知AB1⊥A1C,由三垂线定理的逆定理得AB1⊥A1D,从而∠A1AB1,∠A1DA都与∠B1AB互余,因此∠A1AB1=∠A1DA,所以Rt△A1AD∽Rt△B1A1A,因此
=
,得AA
=AD·A1B1=8.
从而A1D=
=2
,B1D=A1D=2
,
所以在△A1DB1中,由余弦定理得
cos∠A1DB1=
=
.
解法二:如下图,过D作DD1∥AA1交A1B1于D1,在直三棱柱中,由(1)知DB,DC,DD1两两垂直,以D为原点,射线DB,DC,DD1分别为x轴、y轴、z轴的正半轴建立空间直角坐标系D-xyz.
设直三棱柱的高为h,则A(-2,0,0),A1(-2,0,h),B1(2,0,h),C(0,
,0),从而
=(4,0,h),
=(2,
,-h).
由
⊥
得
·
=0,即8-h2=0,因此h=2
.
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图1-4
故
=(-2,0,2
),
=(2,0,2
),
=(0,
,0).
设平面A1CD的法向量为m=(x1,y1,z1),则m⊥
,m⊥
,即
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取z1=1,得m=(
,0,1).
设平面B1CD的法向量为n=(x2,y2,z2),则n⊥
,n⊥
,即
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取z2=-1,得n=(
,0,-1),所以
cos〈m,n〉=
=
=
.
所以二面角A1-CD-B1的平面角的余弦值为
.