题目内容

(16) 如图, 在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AB=AD=2,DC=2,AA1=,AD⊥DC,AC⊥BD, 垂足为E,

  (I)求证:BD⊥A1C;

  (II)求二面角A 1-BD-C 1的大小;

  (III)求异面直线 AD与 BC 1所成角的大小.

(16)解法一:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(I)在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,

∵AA1⊥底面ABCD.

∴ AC是A1C在平面ABCD上的射影.

∵BD⊥AC.

∴ BD⊥A1C;

(II)连结A1E,C1E,A1C1.

   与(I)同理可证BD⊥A1E,BD⊥C1E,

∴ ∠A1EC1为二面角A1-BD-C1的平面角. 

∵  AD⊥DC,

∴ ∠A1D1C1=∠ADC=90°,

    又A1D1=AD=2,D1C1= DC=2,AA1=且 AC⊥BD,

∴ A1C1=4,AE=1,EC=3,

∴ A1E=2,C1E=2,

在△A1EC1中,A1C12=A1E2+C1E2,

∴ ∠A1EC1=90°,

    即二面角A1-BD-C1的大小为90°.

(III)过B作 BF//AD交 AC于 F,连结FC1,

则∠C1BF就是AD与BC1所成的角.

∵AB=AD=2, BD⊥AC,AE=1,

∴BF=2,EF=1,FC=2,BC=DC,

∴ FC1=,BC1=,

在△BFC1 中,cos∠C1BF=

 

∴ ∠C1BF=

 

即异面直线AD与BC1所成角的大小为.

解法二:

(Ⅰ)同解法一。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ⅱ)如图,以D为坐标原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系。

连结A1E,C1E,A1C1

与(Ⅰ)同理可证,BD⊥A1E,BD⊥C1E ,

∴∠A1EC1为二面角A1-BD-C1的平面角。

由A1(2,0,),C1(0,2,),

E(,0),

得=(),=(-)

∴·=+3=0

∴⊥,即EA1⊥EC1

∴二面角A1-BD-C1的大小为90°

(Ⅲ)如图,由D(0,0,0),A(2,0,0),C1(0,2,),B(3, ,0)

得=(-2,0,0),=(-3, ,)

∴·=6,||=2,||=,

∴cos(,)===,

∴异面直线AD与BC1所成的角大小为arccos.

解法三:

(Ⅰ)同解法一。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ⅱ)如图,建立空间直角坐标系,坐标原点为E。

连结A1E,C1E,A1C1

与(Ⅰ)同理可证,BD⊥A1E,BD⊥C1E,

∴∠A1EC1为二面角A1-BD-C1的平面角。

由E(0,0,0),

A1(0,-1,),

C1(0,3,),

得,=(0,3,)。

∵·=-3+3=0

∴⊥,即EA1⊥EC1

∴二面角A1-BD-C1的大小为90°

(Ⅲ)如图,由A(0,-1,0),D(-,0,0),B(,0,0),C1(0,3,)

得=(-,1,0),=(-,3,)。

∵·=3+3=6,||=2,||=

∴cos<,>===,

∴异面直线AD与BC1所成的角大小为arccos.


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