题目内容
(本小题满分12分)如图,已知直三棱柱ABC—A1B1C1的侧棱长为2,底面△ABC是等腰直角三角形,且∠ACB=90°,AC=2,D是A A1的中点. (Ⅰ)求异面直线AB和C1D所成的角(用反三角函数表示);(Ⅱ)若E为AB上一点,试确定点E在AB上的位置,使得A1E⊥C1D;
(Ⅲ)在(Ⅱ)的条件下,求点D到平面B1C1E的距离.
(Ⅰ)
(Ⅲ)DH=![]()
解析:
[解析](Ⅰ)法一:取CC1的中点F,连接AF,BF,
则AF∥C1D. ∴∠BAF为异面直线AB与C1D
所成的角或其补角. ∵△ABC为等腰直角三角形,AC=2,
∴AB=
.又∵CC1=2,∴AF=BF=
.
∵cos∠BAF=
, ∴∠BAF=
,
即异面直线AB与C1D所成的角为![]()
法二:以C为坐标原点,CB,CA,CC1分别为x轴,y轴,
z轴建立空间直角坐标系,
则A(0,2,0),B(2,0,0),C1(0,0,2),
D(0,2,1),∴
=(2,-2,0),
=(0,2,-1).
由于异面直线AB与C1D所成的角为向量
与
的夹角或其补角. 设
与
的夹角为
,
则cos
=
=
,∴
=
,即异面直线AB与C1D所成的角为
.
(Ⅱ)法一:过C1作C1M⊥A1B1,垂足为M,则M为A1B1的中点,且C1M⊥平面AA1B1B.连接DM.
∴DM即为C1D在平面AA1B1B上的射影. 要使得A1E⊥C1D,
由三垂线定理知,只要A1E⊥DM.
∵AA1=2,AB=2
,由计算知,E为AB的中点.
法二:过E作EN⊥AC,垂足为N,则EN⊥平面AA1C1C.连接A1N. ∴A1N即为A1E在平面AA1C1C上的射影.
要使得A1E⊥C1D,由三垂线定理知,只要A1N⊥C1D.
∵四边形AA1C1C为正方形,∴N为AC的中点,
∴E点为AB的中点.
法三:以C为坐标原点,CB,CA,CC1分别为x轴,
y轴,z轴建立空间直角坐标系,则A1(0,2,2),B(2,0,0),C1(0,0,2), D(0,2,1),
设E点的坐标为(x,y,0),要使得A1E⊥C1D,
只要
·
=0, ∵
=(x,y-2,-2),
=(0,2,-1),∴y=1.
又∵点E在AB上,
∴
∥
.∴x=1.
∴E点为AB的中点.
(Ⅲ)法一:取AC中点N,连接EN,C1N,
则EN∥B1C1. ∵B1C1⊥平面AA1C1C,
∴面B1C1NE⊥平面AA1C1C.
过点D作DH⊥C1N,垂足为H,则DH⊥平面B1C1NE,
∴DH的长度即为点D到平面B1C1E的距离.
在正方形AA1C1C中,
由计算知DH=
, 即点D到平面B1C1E的距离.