题目内容

【题目】如图所示,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,CA=4,CB=4,CC1=2,∠ACB=90°,点M在线段A1B1上.

(1)若A1M=3MB1,求异面直线AM和A1C所成角的余弦值;

(2)若直线AM与平面ABC1所成角为30°,试确定点M的位置.

【答案】(1);(2)线段A1B1的中点.

【解析】

试题分析:本题考查用空间向量法解决立体几何问题,最简单的方法是建立空间直角坐标系,如以C为坐标原点,分别以CA,CB,CC1所在直线为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,写出各点坐标,(1)求得相应向量,异面直线AM和A1C所成角的余弦值就是cos〈,〉的绝对值;(2)先求得平面ABC1的法向量为n,因为点M在线段A1B1上,可设M(x,4-x,2),利用法向量n与向量的夹角(锐角)与直线和平面所成的角互余可得,即由|cos〈n,〉|=可求得,从而确定的位置.

试题解析:方法一 (坐标法)

以C为坐标原点,分别以CA,CB,CC1所在直线为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,则C(0,0,0),A(4,0,0),A1(4,0,2),B1(0,4,2).

(1)因为A1M=3MB1,所以M(1,3,2).

所以=(4,0,2),=(-3,3,2).

所以cos〈,〉==-.

所以异面直线AM和A1C所成角的余弦值为.

(2)由A(4,0,0),B(0,4,0),C1(0,0,2),

知=(-4,4,0),=(-4,0,2).

设平面ABC1的法向量为n=(a,b,c),

由得

令a=1,则b=1,c=,

所以平面ABC1的一个法向量为n=(1,1,).

因为点M在线段A1B1上,所以可设M(x,4-x,2),

所以=(x-4,4-x,2).

因为直线AM与平面ABC1所成角为30°,

所以|cos〈n,〉|=sin 30°=.

由|n|=|n||||cos〈n,〉|,得

|1 (x-4)+1 (4-x)+2|

=2,

解得x=2或x=6.

因为点M在线段A1B1上,所以x=2,

即点M(2,2,2)是线段A1B1的中点.

方法二 (选基底法)

由题意得CC1⊥CA,CA⊥CB,CC1⊥CB,取,,作为一组基底,

则有||=||=4,||=2,

且===0.

(1)由=3,则===-,

∴=+=+-,

且||=

=--,且||=2,

∴=4

∴cos〈,〉==.

即异面直线AM与A1C所成角的余弦值为.

(2)设A1M=λA1B1,则=+λ-λ.

又=-,=-,

设面ABC1的法向量为n=x+y+z,

则=8z-16x=0,=16y-16x=0,

不妨取x=y=1,z=2,

则n=++2且|n|=8,

||=,=16,

又AM与面ABC1所成的角为30°,则应有

==,

得λ=,即M为A1B1的中点.

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