题目内容

【题目】如图,四边形ABCD是梯形,AD∥BC,∠BAD=90°,四边形CC1D1D为矩形,已知AB⊥BC1,AD=4,AB=2,BC=1.

(I)求证:BC1∥平面ADD1;

(II)若DD1=2,求平面AC1D1与平面ADD1所成的锐二面角的余弦值;

(III)设P为线段C1D上的一个动点(端点除外),判断直线BC1与直线CP能否垂直?并说明理由.

【答案】(I)证明见解析;(II);(III)直线BC1与CP不可能垂直.

【解析】试题分析:(1)先根据线面平行的判定定理证明平面平面,再由面面垂直的判定定理可得平面平面,根据面面平行的性质可得结果;(2)先证明平面,过在底面中作,所以, 两两垂直,以分别为轴、轴和轴,建立空间直角坐标系,求出平面与平面的法向量,利用空间向量夹角余弦公式可得结果;(3)利用反证法,若两直线垂直,根据向量垂直数量积为零可得到点不在线段上,从而假设不成立.

试题解析:(I)证明:由CC1D1D为矩形,得CC1∥DD1,又因为DD1平面ADD1,CC1平面ADD1,

所以CC1∥平面ADD1,

同理BC∥平面ADD1,又因为BCCC1=C,所以平面BCC1∥平面ADD1,

又因为BC1平面BCC1,所以BC1∥平面ADD1.

(II).由平面ABCD中,AD∥BC,∠BAD=90°,得AB⊥BC,又因为AB⊥BC1,BCBC1=B,所以AB⊥平面BCC1,所以AB⊥CC1,又因为四边形CC1D1D为矩形,且底面ABCD中AB与CD相交一点,所以CC1⊥平面ABCD,因为CC1∥DD1,所以DD1⊥平面ABCD.

过D在底面ABCD中作DM⊥AD,所以DA,DM,DD1两两垂直,以DA,DM,DD1分别为x轴、y轴和z轴,如图建立空间直角坐标系,

则D(0,0,0),A(4,0,0),B(4,2,0),C(3,2,0),C1(3,2,2),D1(0,0,2),

所以=(-l,2,2),=(-4,0,2).

设平面AC1D1的一个法向量为m=(x,y,z),

由m·=0,m·=0,得

令x=2,得m=(2,-3,4)

易得平面ADD1的法向量n=(0,1,0).

所以cos<m,n>=.

即平面AC1D1与平面ADD1所成的锐二面角的余弦值为

(III)结论:直线BC1与CP 不可能垂直,

证明:设DD1=m(m>0),= (∈(0,1)),

由B(4,2,0),C(3,2,0),C1(3,2,m),D(0,0,0),

得=(-l,0,m),=(3,2,m),= =(3,2,m),=(-3,-2,0),=+=(3-3,2-2,m).

若BC1⊥CP,则·=-(3-3)+m2=0,即(m2-3)=-3,因为≠0,

所以m2=-+3>0,解得>1,这与0<<l矛盾.

所以直线BC1与CP不可能垂直.

【方法点晴】本题主要考查线面平行的判定定理利用空间向量求二面角,属于难题.空间向量解答立体几何问题的一般步骤是:(1)观察图形,建立恰当的空间直角坐标系;(2)写出相应点的标,求出相应直线的方向向量;(3)设出相应平面的法向量,利用两直线垂直数量积为零列出方程组求出法向量;(4)将空间位置关系转化为向量关系;(5)根据定理结论求出相应的角和距离.

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